Y(NO_3)_3掺杂对A...涂层微观结构和耐磨性的影响_张红涛.pdf

第 44 卷第 4 期兵 器 装 备 工 程 学 报2023 年 4月收稿日期:2022 10 12;修回日期:2022 11 08基金项目:安阳工学院博士科研启动基金项目(BSJ2021028，BSJ2022001);安阳市科技计划项目(2021C01GX005，2020 42，2020 39)作者简介:张红涛(1975)，男，博士，副教授，高极工程师，E-mail:nuaa202zht163 com。通信作者:张云龙(1978)，男，博士，副教授，E-mail:hangzyl126 com。doi:1011809/bqzbgcxb202304028Y(NO3)3掺杂对 AZ91D MAO 涂层微观结构和耐磨性的影响张红涛，王铁成，张云龙，周嵬，张海峰，韩玉坤(安阳工学院 飞行学院，河南 安阳455000)摘要:本文中对 AZ91D 镁合金进行微弧氧化(MAO)改性处理，来获得具有较高耐磨性的陶瓷涂层，目标是提高AZ91D 镁合金的耐磨性。在 Na2SiO3-NaOH 体系下引入稀土盐 Y(NO3)3掺杂，研究 Y(NO3)3掺杂量的变化对改性涂层相组成、微观结构、表面粗糙度、显微硬度以及摩擦因数的影响作用。结果表明:在 Na2SiO3电解液体系下经微弧氧化处理后，镁合金涂层由 MgO、MgSiO3和 Mg2SiO4等晶相组成，在掺杂 Y(NO3)3后涂层中 MgSiO3相含量有所增加。当 Y(NO3)3掺杂量超过 0 015 mol/L 时，微弧氧化涂层中典型特征“火山口状”的微孔通道明显减少，涂层表面趋于光滑。当 Y(NO3)3浓度过高时，涂层中局部区域出现腐蚀坑。经微弧氧化改性处理后涂层的显微硬度均比基体合金高，尤其当 Y(NO3)3掺杂量超过 0 015 mol/L 时，涂层显微硬度值最大，约为 382 6 7 6 HV1，达到基体硬度 4 倍以上。Y(NO3)3掺杂涂层的摩擦因数先降低后增加，最小值出现在试样 S3 时，摩擦因数约为 0 60 0 65，耐磨性提高。关键词:微弧氧化;AZ91D 合金;Y(NO3)3掺杂;陶瓷涂层本文引用格式:张红涛，王铁成，张云龙，等 Y(NO3)3掺杂对 AZ91D MAO 涂层微观结构和耐磨性的影响 J 兵器装备工程学报，2023，44(4):200 205Citation format:ZHANG Hongtao，WANG Tiecheng，ZHANG Yunlong，et al Effect of Y(NO3)3doping on the microstruc-ture and wear resistance of AZ91D micro-arc oxidation coatingJ Journal of Ordnance Equipment Engineering，2023，44(4):200 205中图分类号:TG146 2文献标识码:A文章编号:2096 2304(2023)04 0200 06Effect of Y(NO3)3doping on the microstructureand wear resistance of AZ91D micro-arc oxidation coatingZHANG Hongtao，WANG Tiecheng，ZHANG Yunlong，ZHOU Wei，ZHANG Haifeng，HAN Yukun(Flight College，Anyang Institute of Technology，Anyang 455000，China)Abstract:In this paper，AZ91D magnesium alloy is modified through micro-arc oxidation to obtainceramic coating with high wear resistance The aim is to improve the wear resistance of AZ91D magnesiumalloy The effect of the change in Y(NO3)3doping amount on phase composition，microstructure，surfaceroughness，microhardness and friction coefficient of the modified coating is studied by introducing rareearth salt Y(NO3)3doping into Na2SiO3-NaOH system The results show that the magnesium alloy coatingis composed of MgO，MgSiO3and Mg2SiO4after the micro-arc oxidation treatment in the Na2SiO3electrolyte system，and the phase content of MgSiO3in the coating increases after the doping of Y(NO3)3When the doping amount of Y(NO3)3exceeds 0 015 mol/L，the typical“crater-like”micro-porechannels in the micro-arc oxidation coating significantly reduces，and the coating surface tends to besmooth When the concentration of Y(NO3)3is too high，corrosion pits appear in local areas of thecoating The microhardness of the coating after modification by micro-arc oxidation is higher than that ofthe matrix alloys，especially when the doping amount of Y(NO3)3exceeds 0 015 mol/L During theseperiods，the microhardness of the coating is the highest at about 382 6 7 6 HV1，which is more than 4times the hardness of the matrix The friction coefficient of the Y(NO3)3doped coating decreases first andthen increases，and，when the minimum value appears in sample S3，the friction coefficient is within 0 60to 0 65，which proves an improved wear resistanceKey words:micro-arc oxidation;AZ91D alloy;Y(NO3)3doping;ceramic coating0引言镁合金因其低密度、高比强度、高比刚度、铸造性能、切削加工性能良好等特点，在航空、机械、电子、医疗器械等领域备受关注1。然而作为生物医用材料，镁合金极易腐蚀并且耐磨性较差，这将严重限制镁合金的应用领域推广，因此镁合金表面多功能化涂层的设计和制造技术是提升镁合金使用构件耐磨性能、保证使役性能的关键技术之一。目前围绕镁合金的表面改性强化技术，开发出各种不同类型的手段，主旨思想是提高镁合金的工程应用范围和开发深度。目前镁合金的表面改性技术主要包括化学镀2、热喷涂3、超音速火焰喷涂4、物理气相沉积5、化学气相沉积6、激光熔覆7、阳极氧化8、溶胶 凝胶9、微弧氧化等10。其中，微弧氧化(micro-arc oxidation，MAO)技术是在镁、铝、钛等轻金属表面形成一层陶瓷涂层。目前关于微弧氧化技术的研究相对较多，大都围绕电解液体系和电化学工艺参数等方面开展。电解液体系主要种类包括硅酸盐、磷酸盐和铝酸盐等体系，而电参数主要包括微弧氧化设备所能调控的实验参数，如恒压模式、恒流模式、频率、占空比、氧化时间等11 14。此外不同类型的微纳米颗粒被引入镁合金涂层中来，旨在提高涂层的耐磨性和耐蚀性等性能15 17。在前期工作基础上，笔者在硅酸钠电解液体系中掺杂微量稀土盐 Y(NO3)3，重点研究 Y(NO3)3掺杂对 AZ91D 镁合金微弧氧化涂层的相组成、微观形貌、显微硬度、摩擦因数、结合力等参数的影响，旨在为镁合金表面耐磨涂层设计提供实验依据。1材料制备与表征利用线切割机将 3 mm 厚 AZ91D 镁合金板材切割成 30mm 30 mm 试样，用 80#、600#和 1200#砂纸依次打磨，分别在酒精溶液中超声波清洗处理，利用低温烘箱干燥处理后待用。利用国产双极性脉冲电源微弧氧化设备进行试验，以镁合金试样为阳极、不锈钢板为阴极，在 Na2SiO3-NaOH 电解液下微弧氧化处理。微弧氧化电解液主要成份为:32 g/LNa2SiO3，4 g/L NaOH，4g/L EDTA-2Na，8 g/L NaF 以及适量的 Y(NO3)3。变化 Y(NO3)3的含量，设置添加比例分别为0 005、0 010、0 015、0 020 和 0.025 mol/L，分别命名为 S1-S5 试样。作为对比样，S0 试样对应的电解液中不添加稀土盐 Y(NO3)3。微弧氧化工艺参数设置为:电压为 300 V，占空比为 0 15，频率 500 Hz，处理时间为 10 min。处理完的试样，用蒸馏水清洗，烘箱干燥处理后备用。采用德国 BrukerD8 型 X 射线衍射仪分析 AZ91D 镁合金微弧氧化涂层的物相组成，X 射线衍射仪采用 Cu 靶材，管电压为 40 kV。采用蔡司金相显微镜测试涂层金相组织及摩擦试验划痕。采用JSM-6360LV 型扫描电镜进行涂层形貌观察。采用日本奥林巴斯激光共聚焦显微镜(OLS4100)测试涂层的二维形貌和表面粗糙度。采用 HD-1000TMC 显微硬度计测试涂层维氏硬度，试验载荷为 9 8 N，在保压时间 10 s 后结束试验，在试样不同区域选取五个压痕点测试，取平均值，显微硬度计算公式按照国标执行。利用 SFT-2M 型摩擦磨损试验机测试AZ91D 镁合金微弧氧化涂层的摩擦因数，摩擦副为直径3 mm的 GCr15 高碳铬轴承钢球，载荷 300 N，磨损划痕直径6 mm，测试时间 600 s。2试验结果与讨论图 1 给出了不同 Y(NO3)3掺杂量下 AZ91D 镁合金MAO 涂层的显微组织照片。未掺杂与低浓度掺杂 Y(NO3)3的微弧氧化涂层均具有较为完整的形貌，没有明显的大面积腐蚀坑出现，这与微弧氧化工艺有关，考虑到微弧氧化时间相对较短，且电解液的浓度适当等因素，获得的微弧氧化涂层相对较为完整。而当 Y(NO3)3掺杂量超过 0 020 mol/L时，涂层中出现少量的腐蚀坑，这与电解液导电能力的变化有直接关系。102张红涛，等:Y(NO3)3掺杂对 AZ91D MAO 涂层微观结构和耐磨性的影响图 1不同 Y(NO3)3掺杂量下 AZ91D MAO 涂层显微组织照片Fig 1 Micro-structure of AZ91D MAO coating withdifferent Y(NO3)3doping图 2 所示为不同 Y(NO3)3掺杂量下 AZ91D 镁合金MAO 涂层微观形貌 SEM 照片。当未掺杂时，涂层的表面微孔较大。而当 Y(NO3)3掺杂量在 0 005 0 010 mol/L 时涂层中的微孔尺寸变小，腐蚀坑的深度变浅。当Y(NO3)3掺