铝合金表面纳米化-微弧氧化复合涂层摩擦学行为

铝合金表面纳米化-微弧氧化复合涂层摩擦学行为

在飞机和其他高科技设备领域的服务过程中，由于环境恶化和影响，铝材料容易遭受腐蚀、磨损和损坏。因此，在高强度和高耐腐蚀的基础上，我们需要全面提高耐腐蚀性和疲劳的关键服务性能。1实验材料和方法1.1y12cz铝合金材料本研究所用材料为厚度为3mm的LY12CZ(国际牌号为2024--T4)铝合金板材,热处理状态为淬火加自然时效,其化学成分如表1所示.1.2纳米表面纳米化--微弧氧化复合涂层的设计及制备利用金属纳米化表层过渡组织特征及微弧氧化陶瓷涂层在金属纳米晶层原位生长的特点,复合运用表面纳米化与微弧氧化技术来设计铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层.铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层的设计思路如下:首先通过表面机械研磨处理在铝合金表面制备一定厚度的纳米晶层过渡组织,然后利用微弧氧化技术在现有电解液体系中于铝合金纳米晶层表面生长制备出纳米化--微弧氧化复合涂层.铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层的结构设计及基本工艺流程如图1所示.1.2.2实验机表面机械研磨处理设备为成都新晶格科技有限公司生产的SNC--1型表面纳米化实验机,样品尺寸为80mm×80mm×3mm,试样经12001.2.3微弧氧化电解采用MAO-65型65kW微弧氧化实验生产装置对LY12CZ铝合金基体及表面机械研磨处理LY12CZ铝合金进行表面陶瓷化处理.微弧氧化装置主要由双极脉冲高压电源、不锈钢电解槽、冷却系统和搅拌系统组成,微弧氧化处理过程中不锈钢电解槽作为阴极,待处理工件作为阳极,电参数的正负幅值的比率均可以进行单独调节.微弧氧化电解液采用去离子水进行配制(电解质为Na1.3摩擦学性能测试使用兰州中科凯华科技开发有限公司生产的HT--1000型球-盘式摩擦磨损试验机进行摩擦学性能测试.进行摩擦学性能测试的试样尺寸为10mm×10mm×3mm,摩擦副为直径5mm的GCr15钢球,硬度60HRC(换算成显微硬度约为HV700).摩擦测试在干摩擦条件下进行,法向载荷分别为1.5、3和4.5N,对磨速度分别为0.1、0.2和0.3m·s2结果与讨论2.1系数k2.1.1球对磨过程中摩擦系数的变化图3为微弧氧化涂层在不同实验参数下与GCr15钢球对磨过程中摩擦系数随时间的变化曲线.如图3(a)所示:对磨速度为0.05m·s如图3(b)所示:当对磨速度增大为0.1m·s2.1.2钢球对磨过程中摩擦系数hv3.图4为干摩擦条件下纳米化--微弧氧化复合涂层在不同实验参数下与GCr15钢球对磨时摩擦系数随时间变化曲线.对磨速度为0.05m·s如图4(b)所示:对磨速度增大到0.1m·s当对磨速度增加到0.15m·s可见,在大部分的测试条件下(如载荷为3N和4.5N),微弧氧化涂层与钢球对磨过程中,摩擦系数还没有达到稳定时涂层即被磨穿,而相同测试条件下的复合涂层则保持完好.通过对比载荷为1.5N条件下两种涂层与钢球对磨时摩擦系数的差异可以发现,达到稳定对磨状态后,与微弧氧化涂层相比,纳米化-微弧氧化复合涂层与钢球对磨的摩擦系数增加了5.6%.根据笔者之前的研究结果可知,纳米化--微弧氧化复合涂层显微硬度达到HV970,而微弧氧化涂层的显微硬度为HV8502.2磨损2.2.1微弧氧化涂层图5为对磨速度0.1m·s2.2.2纳米-微弧氧化涂层图6为在对磨速度0.1m·s2.3纳米化--微弧氧化复合涂层与gcr15钢球的磨损机理微弧氧化涂层硬度和表面粗糙度显著增大,而与微弧氧化涂层相比,纳米化-微弧氧化复合涂层具有更高的硬度和较大的表面粗糙度.这两种涂层与GCr15钢球对磨的过程中自身产生磨损的同时,使对磨钢球产生严重磨损.在小载荷的情况下,微弧氧化涂层以及纳米化--微弧氧化复合涂层与GCr15钢球对磨时具有相同的磨损机制.磨损机制模型如图7所示.与GCr15钢球对磨时,陶瓷涂层由于具有较高的硬度和表面粗糙度,使钢球产生大量磨损,摩擦过程中产生的钢球磨屑转移到陶瓷外层表面,在摩擦副反复的碾压作用下磨屑黏附于陶瓷外层表面,这样使原来的微弧氧化涂层-钢之间的摩擦转变成钢--钢之间的摩擦,导致摩擦系数增大.在接下来的摩擦过程中,在接触应力和摩擦过程中产生的高温协同作用下,黏着于涂层表面的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层表面,对涂层起到保护作用.对纳米化--微弧氧化复合涂层摩擦测试后的表面黏着层进行X射线光电子能谱分析,结果见图8.由图8(a)所示的X射线光电子能谱全谱扫描结果可以发现Fe2p峰和Fe的俄歇峰,表明在摩擦过程中发生由钢球向涂层表面的材料转移,与能谱分析的结果保持一致.对Fe进行价态分析,如图8(b)所示,Fe2p微弧氧化涂层及纳米化-微弧氧化复合涂层与GCr15钢球对磨时,摩擦副之间的实际接触面积远小于名义接触面积,即使法向载荷很小,接触点上的应力却很大.当法向载荷较大时,接触点上的应力逐渐增大至超过材料的断裂强度时就会发生涂层的开裂,在摩擦副的对磨过程中,随着两对磨表面切应力的作用,开裂的涂层发生剥落,从而导致陶瓷涂层被磨穿,因而当法向载荷增加到4.5N时,微弧氧化涂层及纳米化--微弧氧化复合涂层与GCr15钢球对磨时磨损机理为陶瓷涂层的开裂和剥落.3微弧氧化涂层(1)与微弧氧化涂层相比,纳米化-微弧氧化复合涂层具有更加优异的耐磨性能,在相同的测试条件下(如0.15m·s(2)在低法向载荷的条件下(1.5N和3N),微弧氧化涂层及纳米化--微