1、 不同方法制备的微弧氧化涂层摩擦磨损特性的研究现状汪 昊，李庆达，刘爱莲，户春影，赵胜雪，胡 军（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆；黑龙江科技大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨）摘 要 镁、铝、钛及其合金具有比强度高、资源丰富、加工性能好等优点，在机械、航空航天、生物医药等领域得到广泛应用，但由于镁、铝、钛及其合金的耐磨性较差，严重限制了其在各个领域的应用。从微弧氧化复合涂层的形成原理和制备方法出发，系统综述了在镁合金、铝合金、钛合金等轻质合金材料表面采用各种微弧氧化复合技术制备的涂层的摩擦磨损性能方面的研究现状，指出目前微弧氧化技术存在的问题与未来发展方向，为后续研究提供一定参考
2、。关键词 微弧氧化；复合涂层；摩擦磨损；镁合金；铝合金；钛合金中图分类号 文献标识码 ：文章编号（），（，；，）：，：；收稿日期 基金项目 黑龙江省自然科学优秀青年基金（）；国家重点研发计划子课题（）；黑龙江省重点研发计划（）；大庆市指导性科技计划项目（）；黑龙江八一农垦大学“三纵”科研支持计划重点专项（）资助 通信作者 李庆达（），博士，教授，主要研究方向为金属材料摩擦磨损与防护研究，电话：，：前 言镁铝钛及其合金由于具有加工性能好、密度低、比强度高等优点，在电子通信、汽车、航天航空以及医疗器械等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景，但由于镁铝钛及其合金本身存在如表面硬度低、摩擦系数大、黏
3、着磨损严重等摩擦学性能较差的问题，限制了其工业应用范围。实践证明，采用合理的金属表面强化技术可有效改善镁铝钛及其合金的摩擦磨损性能。微弧氧化（，）是一种重要的电化学表面处理技术，采用环境友好的弱碱性和酸性电解质，通过高温高压作用在电解液中产生强烈的电火花，在各种阀金属（如镁、铝、钛）表面产生厚、硬、致密的陶瓷涂层，微弧氧化形成氧化层过程如图 所 示。微弧氧化在西方国家也被称为等离子体电解氧化（，）、火花阳极氧化（）。微弧氧化与传统阳极氧化技术相比，具有环保、操作简单、工艺稳定等优点，所制备的涂层的摩擦性能、腐蚀性能、电学性能和热学性能良好，在机械、航空航天、汽车、生物医学设备等领域得到广泛应用
4、。长期以来，微弧氧化技术一直被国内外学者广泛研究，年 年微弧氧化处理研究领域发文量如图 所示。随着市场对高性能材料需求的日益增长，采用单一微弧氧化技术难以满足阀金属在复杂工况下长期使用的要求。多年来，研究人员一直努力将微弧氧化技术与其他表面处理技术相结合，以期提升涂层的各项性能。本文阐述了微弧氧化复合技术制备涂层的方法及成形原理，综述了“微弧氧化其他表面技术”制备的镁铝钛合金涂层的摩擦磨损性能研究现状，并归纳和总结了目前微弧氧化复合技术的研究方向与存在的问题。图 微弧氧化形成氧化层过程 图 年 年微弧氧化处理研究领域发文量（来源于 数据库）（）微弧氧化复合涂层制备方法 前处理微弧氧化技术前处理
5、微弧氧化技术通过前处理手段强化金属表面，改变基体表面的形貌和组织结构，随后进行微弧氧化处理形成复合涂层，制备的复合涂层具有硬度高、厚度大、基体结合力强等特点。前处理手段目前分为 种：一种是对金属基体表面进行机械处理（如喷丸、表面机械研磨、激光、超声冷锻等），该技术不改变基体化学成分仅改变基材表面形态，其原理如图 所示；另一种是通过喷涂、溅射等方法在金属表面制备一层合金涂层（如、等），再经微弧氧化处理后可在基体表面形成双层陶瓷涂层，其原理如图 所示。图 合金表面经过机械预处理后进行微弧氧化制备涂层的示意图 图 合金表面经过喷涂预处理后进行微弧氧化制备涂层的示意图 直接复合技术直接复合技术通过在电
6、解液中直接添加不同种类的功能性固体颗粒，使其在微弧氧化过程中沉积或与氧化陶瓷层发生反应。直接复合技术通过改变涂层表面的微观形貌、结构及相组成使涂层获得更好的摩擦磨损性能，加入颗粒到 涂层的氧化膜中的过程示意图如图 所示。采用该技术不仅能够有效填补微弧氧化层表面的孔隙与缺陷，还可以增加涂层的组成成分，使涂层实现功能多样化。同时该技术具有成膜速度快、操作简便等优点，但不同种类颗粒的加入会使电解液的 值、电导率、黏度等参数发生变化，可能会导致涂层的其他性能受到一定影响。图 加入颗粒到 涂层的氧化膜中的过程示意图 微弧氧化后处理技术微弧氧化后处理技术通过对微弧氧化陶瓷涂层进行其他表面后处理，以改善涂层
7、的减摩耐磨性能。该复合技术分为 类：第一类是采用电泳、浸渍烧结、水热等技术将固体润滑剂沉积到微弧氧化涂层表面，填补微弧氧化涂层表面产生的孔隙，提高涂层的各项性能。第二类是通过磁控溅射、化学镀等技术将金属涂层制备到微弧氧化层上，形成双层涂层，采用这类技术制备的金属过渡层为基体提供了良好的载荷支撑，保证了涂层与基体间的紧密结合。第三类是运用烘烤抛光、激光照射等物理手段修复微弧氧化涂层的各项缺陷（如微裂纹、凹坑、孔隙等），以期强化涂层、提升性能。不同金属基体微弧氧化涂层的摩擦磨损特性 镁合金镁是工程领域中最轻的一种金属，其密度为 ，镁合金具有良好的阻尼特性、高比强度、高导热性，因此被广泛应用到交通运
8、输、航空航天、电子通讯等领域。然而，由于其化学活性过高，削弱了镁及其合金的耐磨性与耐腐蚀性，如何为镁合金提供良好的磨损和腐蚀防护，延长其使用寿命，长期以来受到广泛关注。前处理微弧氧化镁合金涂层 等研究了 镁合金微观组织对微弧氧化涂层耐磨性的影响。通过表面机械研磨技术（，）进行表面纳米化处理，在微弧氧化电解液中添加氧化铝纳米粉末并进行 处理。磨损实验结果表明，复合涂层的耐磨性相比单一 涂层最大提高。观察涂层表面形貌可知，表面机械研磨处理促进了涂层对纳米颗粒的吸收，使涂层的耐磨性得到了大幅度提升。等为提高 镁合金的耐磨性能，采用冷喷涂铝层微弧氧化复合技术在镁合金表面形成铝基 双相涂层，并对双相涂层
9、的摩擦学性能进行了研究。结果表明，铝基 涂层具有更致密的微观结构、更高的显微硬度（）及更好的结合强度（），其磨损率仅为单一 涂层的。分析原因在于双相涂层的结构致密，涂层表面只发生轻微磨损，避免了摩擦副沿着滑动方向的强烈碰撞。另外，由于冷喷涂制备的高硬度和致密的 涂层的存在，使 双相涂层展现出更加优异的长时耐磨性。等同样采用冷喷涂法将铝粉沉积在 镁合金表面，随后经微弧氧化处理形成新型氧化铝层。结果表明，相比单一 涂层，新型涂层的硬度和结合力均有所提升，平均摩擦系数和磨损率降低，表现出良好的耐磨性能。王晓波等将磁控溅射技术（，）作为微弧氧化前处理工艺，在 镁合金表面沉积铝涂层，再通过微弧氧化逐渐形
10、成氧化铝复合涂层。研究了不同微弧氧化终止电压对铝涂层反应速度的影响。结果表明，铝涂层在不同氧化电压下的磨损量和摩擦系数均低于 镁合金基体，当终止电压为 时，磁控溅射铝涂层完全转变为氧化铝复合涂层，此时涂层的耐磨性最佳。孙永花等采用磁控溅射镀钛微弧氧化复合处理技术在 镁合金表面制备出 陶瓷涂层，制备的涂层致密平整，由于陶瓷层中锐钛矿型 相和金红石型 相的存在，使得涂层坚硬耐磨。相比单一 涂层，陶瓷涂层的平均摩擦系数降至，磨损率下降 个数量级，磨损形貌表明涂层仅产生轻微磨痕，磨损机制主要为黏着磨损。魏征等采用超声滚压技术（，）对 镁合金进行预处理，再经过微弧氧化后制备出复合涂层。结果表明，经过超声
11、滚压处理后的微弧氧化涂层的厚度虽有提升，但总体影响不大，复合涂层孔隙率为，明显低于单一涂层。在 静载荷干摩擦实验中，复合涂层的磨损失重与摩擦系数均有所降低，磨痕宽度大幅度变窄，磨损机理只表现为黏着磨损。表 为镁合金在“前处理微弧氧化”复合技术处理前后的摩擦学特性。从表 中可知，该复合工艺能够有效改善镁合金的耐磨性能，采用表面机械研磨技术作为预处理方法制备的涂层具有更低的摩擦系数与磨损率，冷喷涂制备的复合涂层硬度较高。表 镁合金在“前处理微弧氧化”复合技术处理前后的摩擦学特性 “”（）直接复合镁合金涂层 等研究了添加石墨纳米颗粒对 镁合金和 镁合金 涂层摩擦磨损性能的影响。结果表明，含有石墨纳米
12、颗粒的涂层具有更高的硬度，更低的摩擦系数，和 的平均摩擦系数与 处理时间关系如图 所示。这主要是因为，石墨颗粒作为固体润滑剂限制了磨损表面转移层的形成，降低了摩擦系数。等在 镁合金表面制备出含有石墨颗粒的 复合涂层。结果表明，添加不同浓度的石墨颗粒会影响涂层的摩擦系数，当石墨颗粒浓度在 时涂层的摩擦系数的波动最大，在 时摩擦系数最低，下降至。分析认为石墨颗粒能够填充涂层表面的孔隙并起到固体润滑的作用，添加过量的石墨则会使涂层变脆，从而导致涂层的耐磨性降低。图 和 的平均摩擦系数与 处理时间关系 除添加石墨作为固体润滑剂外，等将聚四氟乙烯颗粒（，）添加到 镁合金电解液中。结果表明，颗粒的加入显著
13、改变了 涂层的微观结构、相组成与磨损性能。分析表明，随着 颗粒的沉积，在涂层表面逐渐形成脊状突起。在磨损试验中，该突起起到了润滑剂的作用，使涂层具备自润滑能力，从而提升了耐磨性能。等为提高镁锂合金的耐磨性能，在微弧氧化电解液中添加氧化石墨烯颗粒。结果显示，涂层主要由、和 等相组成，相比单一涂层具有更高的硬度和厚度，低且稳定的摩擦系数，与单一 涂层相比，磨损体积降低。等在微弧氧化电解液中添加 颗粒，研究添加 颗粒对 镁合金微弧氧化涂层摩擦学性能的影响。结果表明，颗粒的添加显著提高了 涂层的厚度和硬度，不同 处理后涂层的厚度和硬度变化如图 所示，涂层的摩擦系数和磨损面积对比未添加 颗粒的单一涂层明
14、显变小。原因在于 颗粒具有高强度和高硬度的特性，使其在摩擦过程中起到抗磨作用，表现出优异的耐磨性能。等认为在 镁合金电解液中添加 颗粒后生成的涂层具有更高的涂层生长速率，表现出更好的磨损性能，主要是由于 颗粒的加入消除了涂层表面的“薄弱环节”，并使涂层厚度增加，改善了涂层的耐磨性能。马妞等将 颗粒添加到 镁合金电解液体系中制备出氧化陶瓷涂层。结果发现，颗粒填充了涂层孔洞并改善了涂层的疏松结构，降低了涂 图 不同 处理后涂层的厚度和硬度变化 层与对磨球间的摩擦应力，使其耐磨性能提升，摩擦系数降至，磨损率降至 （）。微弧氧化后处理镁合金涂层霍慧丹采用原位封孔的方法，将 胶体添加到 镁合金微弧氧化涂
15、层中制备出复合陶瓷涂层，以提高镁合金基体表面的耐磨耐蚀性。在加入胶体后，复合涂层在磨损实验中并未出现严重的犁沟和划痕，磨痕宽度明显变小，摩擦系数由处理前的降至，磨损率由 （）降至（）。分析认为，加入 胶体后在复合陶瓷涂层中产生了 相和 相，使涂层厚度增加，不易被摩擦副磨穿，提高了涂层的耐磨性能。马晓晨为解决 镁合金耐磨性较差的问题，通过电泳技术将聚四氟乙烯（）颗粒涂覆到微弧氧化陶瓷涂层表面，形成自润滑复合涂层，并探究不同载荷、转速、磨损时间对其摩擦学性能的影响。结果表明，随着载荷的增大，复合涂层的摩擦系数不断减小，原因在于载荷增大使涂层表面颗粒受到的挤压和剪切力增加，最终使涂层表面逐渐形成致密
16、的自润滑通道。观察磨损形貌发现，复合涂层的磨损机理主要为黏着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损。等为提高 镁合金的耐磨性能，采用水热法将氧化石墨烯颗粒引入到微弧氧化涂层中制备复合镀层。结果显示，复合镀层的摩擦系数相比处理前单一微弧氧化涂层降低了 倍，厚度增加。石墨烯的引入增加了复合涂层的厚度和硬度，显著提高了涂层对基体材料的附着力，使其具有良好的耐磨、减摩性能。等采用烘烤法对 镁合金微弧氧化涂层进行后处理，制备出厚度为 的双相涂层。双相涂层的摩擦系数与单一涂层相比差别不大，但厚而硬的双相涂层提高了镁合金基体的承载能力，为基体提供了良好的载荷支撑，使双相涂层相比 涂层具有更加优异的摩擦学性能。通过以上研究发现，单纯在镁合金表面进行微弧氧化制备的涂层的磨损性能通常较差，而采用复合工艺处理可以有效提高镁合金表面的耐磨性能。通过 等的研究可知，不同型号的镁合金可能由于其铝含量不同，导致其经过微弧氧化工艺处理后的涂层的摩擦磨损性能不同。因此，探究不同型号镁合金中其他金属的含量对其基体摩擦磨损性能的影响可能成为未来研究的热点。铝合金铝合金具有重量轻、可加工性好、塑性高等特点，成为工业中使用最广泛的金属材料之