鋁合金表面納米化-微弧氧化復(fù)合涂層摩擦學(xué)行為

鋁合金表面納米化-微弧氧化復(fù)合涂層摩擦學(xué)行為

在飛機(jī)和其他高科技設(shè)備領(lǐng)域的服務(wù)過程中，由于環(huán)境惡化和影響，鋁材料容易遭受腐蝕、磨損和損壞。因此，在高強(qiáng)度和高耐腐蝕的基礎(chǔ)上，我們需要全面提高耐腐蝕性和疲勞的關(guān)鍵服務(wù)性能。1實(shí)驗(yàn)材料和方法1.1y12cz鋁合金材料本研究所用材料為厚度為3mm的LY12CZ(國際牌號(hào)為2024--T4)鋁合金板材,熱處理狀態(tài)為淬火加自然時(shí)效,其化學(xué)成分如表1所示.1.2納米表面納米化--微弧氧化復(fù)合涂層的設(shè)計(jì)及制備利用金屬納米化表層過渡組織特征及微弧氧化陶瓷涂層在金屬納米晶層原位生長的特點(diǎn),復(fù)合運(yùn)用表面納米化與微弧氧化技術(shù)來設(shè)計(jì)鋁合金表面納米化--微弧氧化復(fù)合涂層.鋁合金表面納米化--微弧氧化復(fù)合涂層的設(shè)計(jì)思路如下:首先通過表面機(jī)械研磨處理在鋁合金表面制備一定厚度的納米晶層過渡組織,然后利用微弧氧化技術(shù)在現(xiàn)有電解液體系中于鋁合金納米晶層表面生長制備出納米化--微弧氧化復(fù)合涂層.鋁合金表面納米化--微弧氧化復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及基本工藝流程如圖1所示.1.2.2實(shí)驗(yàn)機(jī)表面機(jī)械研磨處理設(shè)備為成都新晶格科技有限公司生產(chǎn)的SNC--1型表面納米化實(shí)驗(yàn)機(jī),樣品尺寸為80mm×80mm×3mm,試樣經(jīng)12001.2.3微弧氧化電解采用MAO-65型65kW微弧氧化實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)裝置對LY12CZ鋁合金基體及表面機(jī)械研磨處理LY12CZ鋁合金進(jìn)行表面陶瓷化處理.微弧氧化裝置主要由雙極脈沖高壓電源、不銹鋼電解槽、冷卻系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)組成,微弧氧化處理過程中不銹鋼電解槽作為陰極,待處理工件作為陽極,電參數(shù)的正負(fù)幅值的比率均可以進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié).微弧氧化電解液采用去離子水進(jìn)行配制(電解質(zhì)為Na1.3摩擦學(xué)性能測試使用蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的HT--1000型球-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦學(xué)性能測試.進(jìn)行摩擦學(xué)性能測試的試樣尺寸為10mm×10mm×3mm,摩擦副為直徑5mm的GCr15鋼球,硬度60HRC(換算成顯微硬度約為HV700).摩擦測試在干摩擦條件下進(jìn)行,法向載荷分別為1.5、3和4.5N,對磨速度分別為0.1、0.2和0.3m·s2結(jié)果與討論2.1系數(shù)k2.1.1球?qū)δミ^程中摩擦系數(shù)的變化圖3為微弧氧化涂層在不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下與GCr15鋼球?qū)δミ^程中摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線.如圖3(a)所示:對磨速度為0.05m·s如圖3(b)所示:當(dāng)對磨速度增大為0.1m·s2.1.2鋼球?qū)δミ^程中摩擦系數(shù)hv3.圖4為干摩擦條件下納米化--微弧氧化復(fù)合涂層在不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下與GCr15鋼球?qū)δr(shí)摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線.對磨速度為0.05m·s如圖4(b)所示:對磨速度增大到0.1m·s當(dāng)對磨速度增加到0.15m·s可見,在大部分的測試條件下(如載荷為3N和4.5N),微弧氧化涂層與鋼球?qū)δミ^程中,摩擦系數(shù)還沒有達(dá)到穩(wěn)定時(shí)涂層即被磨穿,而相同測試條件下的復(fù)合涂層則保持完好.通過對比載荷為1.5N條件下兩種涂層與鋼球?qū)δr(shí)摩擦系數(shù)的差異可以發(fā)現(xiàn),達(dá)到穩(wěn)定對磨狀態(tài)后,與微弧氧化涂層相比,納米化-微弧氧化復(fù)合涂層與鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)增加了5.6%.根據(jù)筆者之前的研究結(jié)果可知,納米化--微弧氧化復(fù)合涂層顯微硬度達(dá)到HV970,而微弧氧化涂層的顯微硬度為HV8502.2磨損2.2.1微弧氧化涂層圖5為對磨速度0.1m·s2.2.2納米-微弧氧化涂層圖6為在對磨速度0.1m·s2.3納米化--微弧氧化復(fù)合涂層與gcr15鋼球的磨損機(jī)理微弧氧化涂層硬度和表面粗糙度顯著增大,而與微弧氧化涂層相比,納米化-微弧氧化復(fù)合涂層具有更高的硬度和較大的表面粗糙度.這兩種涂層與GCr15鋼球?qū)δサ倪^程中自身產(chǎn)生磨損的同時(shí),使對磨鋼球產(chǎn)生嚴(yán)重磨損.在小載荷的情況下,微弧氧化涂層以及納米化--微弧氧化復(fù)合涂層與GCr15鋼球?qū)δr(shí)具有相同的磨損機(jī)制.磨損機(jī)制模型如圖7所示.與GCr15鋼球?qū)δr(shí),陶瓷涂層由于具有較高的硬度和表面粗糙度,使鋼球產(chǎn)生大量磨損,摩擦過程中產(chǎn)生的鋼球磨屑轉(zhuǎn)移到陶瓷外層表面,在摩擦副反復(fù)的碾壓作用下磨屑黏附于陶瓷外層表面,這樣使原來的微弧氧化涂層-鋼之間的摩擦轉(zhuǎn)變成鋼--鋼之間的摩擦,導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大.在接下來的摩擦過程中,在接觸應(yīng)力和摩擦過程中產(chǎn)生的高溫協(xié)同作用下,黏著于涂層表面的Fe磨屑被氧化形成Fe的氧化物,Fe的氧化物牢固地黏附在涂層表面,對涂層起到保護(hù)作用.對納米化--微弧氧化復(fù)合涂層摩擦測試后的表面黏著層進(jìn)行X射線光電子能譜分析,結(jié)果見圖8.由圖8(a)所示的X射線光電子能譜全譜掃描結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)Fe2p峰和Fe的俄歇峰,表明在摩擦過程中發(fā)生由鋼球向涂層表面的材料轉(zhuǎn)移,與能譜分析的結(jié)果保持一致.對Fe進(jìn)行價(jià)態(tài)分析,如圖8(b)所示,Fe2p微弧氧化涂層及納米化-微弧氧化復(fù)合涂層與GCr15鋼球?qū)δr(shí),摩擦副之間的實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于名義接觸面積,即使法向載荷很小,接觸點(diǎn)上的應(yīng)力卻很大.當(dāng)法向載荷較大時(shí),接觸點(diǎn)上的應(yīng)力逐漸增大至超過材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生涂層的開裂,在摩擦副的對磨過程中,隨著兩對磨表面切應(yīng)力的作用,開裂的涂層發(fā)生剝落,從而導(dǎo)致陶瓷涂層被磨穿,因而當(dāng)法向載荷增加到4.5N時(shí),微弧氧化涂層及納米化--微弧氧化復(fù)合涂層與GCr15鋼球?qū)δr(shí)磨損機(jī)理為陶瓷涂層的開裂和剝落.3微弧氧化涂層(1)與微弧氧化涂層相比,納米化-微弧氧化復(fù)合涂層具有更加優(yōu)異的耐磨性能,在相同的測試條件下(如0.15m·s(2)在低法向載荷的條件下(1.5N和3N),微弧氧化涂層及納米化--微