鋁合金表面貫穿式復合涂層設計、制備及性能研究

閆成旗 賈竹英

（安陽工學院，安陽 455000）

文 摘 為了改善航空航天用鋁合金的耐磨性能，尤其是保證在使用環境溫度升高情況下鋁合金的正常使用。本文在機械球磨涂層與基體之間擴散層形成原理的基礎之上，設計三維立體狀擴散層來增大涂層與基體之間結合性能；采用融合機械球磨、激光織構微孔和電沉積3種技術在鋁合金表面制備貫穿式復合涂層，對復合涂層的力學和摩擦學性能進行測試分析。結果表明，電沉積Ni 涂層完全覆蓋了機械球磨涂層的織構表面，經過熱處理后機械球磨涂層和電沉積涂層顯微硬度分別約為285和165 HV，并且鋁合金基體、機械球磨涂層和電沉積涂層3 者界面處形成了三維立體結構擴散層。鋁合金在室溫情況下摩擦學性能表現正常，但在300 ℃下出現失效現象。針對4 種復合涂層，室溫下N150 復合涂層的摩擦因數最低（約為0.7）；300 ℃下N100、N150、N200 復合涂層摩擦因數約為0.5。兩種溫度環境下4 種樣品的磨損率分布在（0.9～1.6）×10-3 mm3（/N·m），N100和N150復合涂層性能表現略好。采用該方法制備的貫穿式復合涂層在室溫和300 ℃環境下有效的保護了鋁合金基體，拓寬了鋁合金的適用范圍。

0 引言

目前，在航空航天用材料減重的迫切需求下，鋁合金材料的需求擴大，進而苛刻環境下零部件所需的特殊性能也對鋁合金材料提出了更高的要求。改善鋁合金室溫以及高溫下的摩擦學性能，使其在寬溫域環境中正常使用成為研究的重要工作之一［1-5］。

表面涂層技術是提高材料表面防護性能的重要途徑之一，機械球磨制備涂層技術和電沉積制備涂層技術均得到了廣泛的研究。V.ZADOROZHNYY等［6-8］通過機械球磨方法在Ni基體表面制備了Ni-Al復合涂層，制備的復合涂層中并未直接生成Ni-Al系金屬間化合物，經過退火后形成了Al3Ni 和Al3Ni2相，金屬間化合物的生成提高了涂層的力學性能，從而改善了其抗磨性能。沈以赴等對機械球磨方法在鈦合金表面制備Ti-Cu-Al［9］、Cr-Al［10］、NiCrAlCoYAl［11］、Al-Si［12］和Al-B4C 等［13］復合涂層的擴散行為、金屬間化合物生成和摩擦學性能進行了大量的研究。研究結果表明，機械球磨方法在樣品表面可制備均勻的復合涂層，并且經過熱處理后會有擴散層以及相應的金屬件化合物增強相生成，能增強基體的抗磨性能。電沉積技術由一元電沉積發展到復合電沉積，由其致密的組織結構而提供了良好的力學、摩擦學和耐腐蝕等性能，在材料保護方面得到了廣泛研究［14-20］。

機械球磨方法原理為固體與固體之間冷焊，有利于在鋁合金表面制備高熔點復合涂層。鋁合金表面強結合性涂層的制備是高性能鋁合金的重要研究問題之一。本研究在機械球磨涂層與基體之間擴散層形成原理的基礎之上，設計三維立體狀擴散層來增大涂層與基體之間結合性能。首先在鋁合金基體表面機械球磨制備Ni-Al復合涂層，然后對涂層進行激光織構打孔，最后在織構化表面電沉積Ni 涂層。經過熱處理后使得機械球磨涂層內部生成金屬間化合物，并且鋁合金基體、機械球磨涂層和電沉積涂層三者界面處形成三維立體狀擴散層，最后對復合涂層的力學和摩擦學性能進行測試分析研究。

1 實驗

1.1 實驗材料與涂層制備

鋁合金基體材料型號為ZL114A，外觀尺寸約為12 mm×12 mm×3 mm；純度為99%的Al 粉，75～150 μm；純度為99.9%的Ni粉，＜75 μm；將Ni粉與Al粉混合機械球磨制備Ni-Al復合涂層（原子比為1∶1，粉末總質量20 g）；研究采用400 r/min 的轉速旋轉7 h，采用直徑為6 和8 mm 的不銹鋼球來提高其球磨能量，為了防止旋轉過程中粉末溫度上升，每球磨60 min 時停止10 min。在機械球磨涂層表面進行織構化，直徑分別為50、100、150 和200 μm，深度約100 μm，圓間隔均為100 μm，分別命名為N50、N100、N150 和N200。電沉積制備Ni涂層120 min。電沉積溶液各成分濃度為：NiSO4·6H2O 240 g/L、NiCl2·6H2O 45 g/L、H3BO330 g/L、NaSO420 g/L。陰極電流密度為2.5 A/dm2；攪拌速度為100 r/min；水浴溫度為50 ℃。最后將樣品放進真空爐中進行退火處理（500 ℃，保溫2 h，隨爐冷卻降溫）。實驗制備方法示意圖見圖1。

圖1 實驗過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental process

1.2 測試

樣品物相使用X 射線衍射儀（型號：Bruker-AXS D8 Advance）進行測定；涂層硬度使用顯微硬度儀（型號：HXS 1000A）進行測試，載荷0.2 kg，加載時間10 s；樣品微觀形貌和元素分布使用場發射掃描電鏡（型號：Quant 250FEG）進行分析測試。樣品的摩擦學性能采用高溫摩擦磨損試驗機（型號：HT-1000）進行測試，摩擦對偶球為直徑6 mm 的Si3N4陶瓷球，摩擦載荷500 g，滑動速度0.15 m/s，測試時間20 min，測試溫度為室溫和300 ℃。材料的磨損體積V=AL，式中，V為磨損體積，A為磨斑橫截面積，L為磨斑直徑）。磨損率W=V/SN，式中，S為滑動距離，N為外加載荷。

2 結果與分析

2.1 成分和微觀組織分析

圖2 列出了4 種樣品的表面X 射線圖譜?？梢钥闯?，樣品表面均為Ni相，說明電沉積涂層完全覆蓋織構化的機械球磨涂層，涂層的完全覆蓋為實驗順利進行提供了良好基礎。圖3 分別列出了4 種涂層的截面組織及元素面分布圖?？梢钥闯?，機械球磨Ni-Al 復合涂層厚度為40～60 μm，電沉積涂層均填滿了4種不同織構尺寸凹坑，并且在樣品表面厚度約為30 μm，與單純的機械球磨涂層相比，增加了鋁合金表面復合涂層的有效使用厚度。由各自陰影部分可以看出經過熱處理后鋁元素的擴散和其與Ni發生化學反應導致鋁合金基體、機械球磨涂層和電沉積涂層三者兩兩界面處存在一定的擴散連接，三維立體狀的擴散層連接可增加復合涂層與基體的結合強度。

圖2 樣品表面X射線衍射圖Fig.2 X-ray diffraction pattern of the sample surface

圖3 4種涂層截面和面分布圖Fig.3 Cross-section microstructures and the elements distribution of four composite coatings

2.2 力學和摩擦學性能分析

圖4中分別列出了鋁合金基體、機械球磨涂層和電沉積涂層的顯微硬度?？梢钥闯鰴C械合金涂層和電沉積涂層的硬度分別大約為285 和165 HV。機械球磨涂層顯微硬度偏高的主要原因為經過熱處理后涂層內有Ni-Al 系金屬間化合物生成。雖然電沉積涂層硬度低于機械合金涂層，但兩種涂層的顯微硬度均高于鋁合金基體（約75 HV）。

圖4 復合涂層硬度Fig.4 Hardness of composite coatings

圖5（a）可以看出，室溫下鋁合金基體具有最低的摩擦因數（約0.4）。在4 種復合涂層的摩擦因數N150 樣品最低（大約0.7）；N50 樣品大約在0.8 左右；N100 樣品大約在1.0 左右；N200 樣品具有最高（大約在1.3 左右），這是因為涂層為抗磨涂層，其內部并未存在潤滑相。圖5（b）可以看出，300 ℃高溫條件下鋁合金基體由于其本身不耐高溫而導致無法正常使用，4 種復合涂層在300 ℃環境溫度下均可正常使用，并且N100、N150 和N200 樣品具有接近的摩擦因數（大約為0.5左右），而N50樣品摩擦測試穩定后具有較高的摩擦因數（大約為0.8 左右）。鋁合金表面4 種復合涂層的制備使得鋁合金使用溫度拓寬到了300 ℃。

圖5 4種涂層的室溫和300 ℃摩擦曲線Fig.5 Friction coefficients of four samples at RT and 300 ℃

圖6 中分別列出了鋁合金和4 種復合涂層不同溫度下的磨損率?？梢钥闯?，室溫環境下鋁合金基體磨損率約為1.6×10-3mm3（/N·m），四種復合涂層的磨損率均處于（0.9～1.2）×10-3mm3（/N·m）之間，與鋁合金基體相比，表面硬度的升高降低了材料的磨損率。當環境溫度為300 ℃時，四種復合涂層的磨損率均處于（1.2～1.6）×10-3mm3（/N·m）之間，復合涂層的制備使得鋁合金的使用溫度擴展到了300 ℃，并且磨損率與鋁合金室溫時磨損率接近，保證了材料的正常使用。

圖6 4種樣品在室溫和300 ℃下的磨損率圖Fig.6 Wear rate of four samples at RT and 300 ℃

由圖7中磨斑表面形貌可以看出，復合涂層在室溫和300 ℃環境溫度下磨斑表面均存在大量細小犁溝，并且在摩擦過程中因表面疲勞而產生大量微裂紋，主要原因為在未添加固體潤滑劑的情況下的干摩擦。雖然有一定量的細小犁溝和微裂紋，但并未出現嚴重的剝落現象，未影響材料在摩擦過程中的正常使用。

圖7 4種樣品室溫和300 ℃下的磨斑表面Fig.7 Wear surface of four samples at RT and 300 ℃

3 結論

（1）融合機械球磨、激光織構打孔和電沉積技術在鋁合金表面制備了貫穿式結構的復合涂層。電沉積Ni 可以完全填充織構微孔，并且可以完全覆蓋機械球磨涂層表面。

（2）鋁合金在室溫情況下摩擦學性能測試過程正常，但在300 ℃下由于鋁合金不耐高溫性能導致摩擦表面發生嚴重黏著使得摩擦學性能測試進行約2.5 min 后無法繼續進行。4 種復合涂層在室溫和300 ℃溫度環境下均能正常進行摩擦學性能測試，N100 和N150復合涂層摩擦學性能比N50和N200表現略好。

（3）經過熱處理后，鋁合金基體、機械球磨涂層和電沉積Ni填充微孔三者界面處形成了三維立體結構擴散層。該結構涂層對鋁合金表面制備強結合性復合涂層具有重要參考價值。