铝合金基材表面耐磨性能强化研究现状_韩冰源.pdf

，.，.基金项目：江苏省自然科学基金（）；基础研究项目（）（）（）：.铝合金基材表面耐磨性能强化研究现状韩冰源，高祥涵，杜文博，雷卫宁，李少松，丛孟启，杭卫星，杜 伟，朱 胜，江苏理工学院汽车与交通工程学院，江苏 常州 陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 铝合金材料具有密度低、强度高、易加工等优点，已被广泛应用于汽车和航空航天等领域。为了延长铝合金零件在磨损、腐蚀等环境下的服役寿命，目前开发了众多先进的表面工程技术，实现了对铝合金基体的性能强化。基于此，本文综述了等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂、激光重熔、氩弧重熔、冷喷涂、电火花沉积、激光熔覆、微弧氧化等九种表面技术对铝合金处理以强化耐磨性能的研究工作。大量研究发现，这些表面技术均在一定程度上提高了铝合金基体的耐磨性能。例如，等离子喷涂涂层可有效减轻高温条件下基体的磨损；重熔技术制备的涂层比喷涂涂层具有更高硬度和更优异的耐磨性能；采用硬质颗粒的冷喷涂技术制备的涂层具有显著提高的显微硬度；电火花沉积技术制备的沉积层内部均匀分布着高强度枝蔓状的 相，能够极大地减小基体的摩擦系数。同时，本文总结了以上技术的优缺点及适用范围。例如，热喷涂效率高但易造成热应力集中，导致涂层与基体之间的结合强度降低；氩弧重熔在低熔点和易蒸发的金属和合金上重熔困难；激光重熔可消除大部分孔隙及夹杂的氧化物，但设备成本较高。最后，本文从采用多种技术复合处理、优化涂层工艺参数、加强新技术研发等方面，对未来铝合金基材表面耐磨性能强化的研究方向进行了展望。关键词 铝合金 表面工程 耐磨涂层 热喷涂 重熔中图分类号：文献标识码：，（），引言铝合金作为重要的轻量化材料之一，具有密度小、比强度高、塑性和延展性好、无磁性、导电导热性良好、低温性能好等众多优点，在汽车、航空、航天领域具有广泛的应用。然而，铝合金运动副常因硬度较低、表面自然形成氧化膜过薄且不均匀等，导致零件表面磨损失效，极大地影响了整机的服役寿命和可靠性，同时限制了铝合金基体在部分中高载荷、中高温及腐蚀磨损等工况下的应用。因此，近年来，如何进一步提升铝合金的表面性能逐渐成为一个重要的研究方向。采用粉末冶金、离心铸造等各种加工技术或选用力学性能更优的铝合金基材，均可在不影响零件构型设计的前提下，提升其摩擦学性能。然而，改变基材成本较高，并且新型材料研发时间相对较长，不利于汽车零部件轻量化工艺研究的快速发展。通过对运动部件的工作状态及失效形式的分析可知，磨损等损伤失效主要发生在零件表面。因而采用先进的表面工程技术（如表面改性、表面涂覆等），对铝合 金表面进行性能强化，可在不改变原有基材几何与材料学等特性的前提下，极大提升零件的综合服役性能，充分提高其抵抗工作环境作用的能力。近年来，增强铝合金耐磨性的研究越来越多。其中，等采用等离子体电解氧化（，）工艺在冷喷涂 铝合金表面沉积氧化铝涂层，该涂层硬度较基体高。孔令晨等在 铝合金表面通过等离子喷涂技术制备了过共晶铝硅合金 涂层。该涂层的硬度比 铝合金基体提高了一倍，耐磨性得到了很大改善。众多方法的应用会使其成型机制与性能增强的效果有所不同。基于此，本文分别从热喷涂、重熔处理、冷喷涂和电火花沉积等角度，系统综述了国内外有关铝合金表面耐磨性强化工作的研究情况，并对提升铝合金表面性能的发展方向进行了展望，以期为相关领域的科研工作者和工程技术人员提供参考。热喷涂技术 等离子喷涂等离子喷涂技术是以等离子弧作为热源，将陶瓷、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以较高的速度撞击基体，在工件表面迅速铺展凝固形成表面防护涂层的一种热喷涂技术（如图 所示）。其具有基体热效应小、孔隙率低、喷涂材料种类繁多等优点，因而在铝合金等零件表面性能提升方面具有广泛的研究。图 等离子喷涂原理图 铝合金作为典型的轻质材料，被广泛应用于汽车发动机活塞中。当发动机爆炸压力超过 时，较宽的温度梯度产生的高热负荷和热应力会使活塞在膨胀行程中承受长时间的高温磨损，易在活塞顶部形成孔洞或裂纹。因此，在活塞顶喷涂隔热涂层是降低热负荷的较好方式。胡艳娇等建立了对活塞顶部进行复合梯度的等离子喷涂涂层隔热性能分析的数学物理模型。图 为喷涂隔热涂层的活塞温度场分布情况。在喷涂隔热涂层后，涂层的表面温度最高达到 。与图 对比可知，加隔热涂层后，活塞顶面传递的热流大大减少，效果明显；同时，向活塞的热量传递受阻，活塞表面隔热层外部的热量大量聚集，温度高于未喷涂保温层。等通过等离子喷涂技术在活塞头上喷涂氧化锆图 喷涂前后活塞温度：（）活塞涂层截面温度场云图；（）活塞铝基体温度场云图（电子版为彩图）：（）；（）涂层。通过改变对基材的接触使部分熔化的颗粒变形，留有更少的空隙，使活塞顶部表面温度升高、活塞裙和底部区域的温度降低，同时也增强了活塞的硬度。等也通过等离子喷涂技术对铝合金活塞顶部施加了氧化锆热障涂层，在活塞膨胀行程期间提高活塞顶部表面的温度，从而降低气缸壁和气体之间的温差以减少热传递。结果表明，涂层降低了基板温度，同时增加了顶表面的温度，减少了燃料消耗，从而使材料性能整体提升。对比三组试验，虽然活塞顶表面温度均升高，但不同的是胡艳娇等制备的喷涂层为复合梯度涂层，其活塞顶最高温度可达 ，其隔热效果优于单一涂层。而与 等不同的是，等在涂层表面打出 的孔，使顶表面的温度进一步升高。同时，随着孔直径增大，顶部表面温度逐渐降低。等利用等离子喷涂技术将粉煤灰和粉煤灰 复合原料粉末等质量比涂覆在 合金基底表面。表 为不同条件下（载荷、滑动距离、滑动速度）材料的质量损失比较。可以看出，与粉煤灰 涂层和裸露的基材相比，粉煤灰的质量损失更小。这是因为 复合涂层的组织更致密，并且孔隙率较低，使其具有更优异的耐磨性。等采用等离子喷涂技术在铝合金基体表面喷涂了灰铸铁、高铬钢和高铬镍自熔性粉末。（射线衍射）分析结果表明，与基体相比，三种铁基涂层在耐磨损性能方面均有所提高。铬钢涂层具有较好的结合强度和磨损性材料导报，（）：表 不同条件下材料质量损失的比较 ：能，灰铸铁涂层的磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损混合磨损，铬钢涂层的磨损机制为氧化磨损，自润滑涂层的磨损机制为氧化磨损和疲劳磨损。等采用等离子喷涂技术在 铝合金表面制备了 颗粒增强的镍基合金复合涂层，并研究了复合涂层的显微组织、显微硬度以及磨损行为。由于 硬相的协同强化和 诱导的晶粒细化效应，复合涂层的显微硬度、临界结合力和耐磨性得到了显著提高。电弧喷涂电弧喷涂是以丝材末端产生的电弧为热源将金属丝材熔化，高温熔化的金属丝材产生的液滴通过高速气流喷射到基体材料表面以形成连续涂层。电弧喷涂由于具有生产效率高、材料选择宽泛和成本较低等优点，也被广泛应用于金属和合金。熔化金属电极的热量都由电弧工作产生，因此喷涂效率较高。为提高基体耐磨性能并延长基体的使用寿命，席翔等采用高速电弧喷涂技术在 基体表面喷涂 涂层，通过对试样的磨痕形貌和表面元素分析发现，基体出现剥落，粘着磨损较轻。涂层未见明显的磨损，这主要因为在摩擦过程中生成的、等保护层可增强涂层抵抗硬质点犁削的能力并提高涂层的耐磨性。等采用双丝电弧喷涂工艺在 铝合金板材表面制备了（质量分数）和（质量分数）的复合涂层，通过橡胶轮磨料磨损试验和热处理试验研究了复合涂层的磨料磨损行为和界面扩散行为。结果表明，复合涂层具有粘着磨损特征。此外，金属间化合物的显微硬度相对较大，有利于提高基体的耐磨性。以上两个研究均通过在喷涂表面形成具有高硬度的金属间化合物作为保护涂层提高基体耐磨性能，此外还可通过两路同、异步送丝技术使得涂层中硬质相和软质相相间分布，可有效抑制磨损过程中裂纹的产生与扩展，使其耐磨性有大幅提升。李乔磊等在铝合金基体上采用电弧喷涂两路异步送丝技术制备了 不锈钢 复合涂层，并研究了其摩擦磨损性能。在室温、大气及干摩擦条件下，涂层磨损量较基体降低 以上，显著提高了基体的耐磨损性能。此后，等又研究了同步送丝技术，分析了复合涂层的摩擦学性能。如图 所示，在复合涂层中，其磨损表面的裂纹扩展模式与基体不同。铝夹层的加入促进了 和互穿组织的形成，有助于应力释放，阻碍裂纹扩展，因而复合涂层使铝合金的耐磨性提高了九倍以上。图 铝合金基体表面 复合涂层磨损形貌：（、）磨损表面的扫描电镜图；（）磨损结构；（）截面扫描电镜图；（）阻塞裂纹扩展 ：（，）；（）；（）；（）火焰喷涂火焰喷涂是以氧燃料气体火焰热源将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，在预处理后的基材表面高速喷涂，形成具有一定性能的涂层。火焰喷涂可有效提升零件表面较多性能，喷涂后的涂层致密，结合强度高，氧化物等缺陷含量低，火焰喷涂同样是一种应用较为广泛的热喷涂技术，其原理如图 所示。等在 铝合金表面采用火焰喷涂法喷涂 涂层，研究碳化钒颗粒对涂层耐磨性的影响。结果表明，涂层中由于钴的存在未形成碳化物而形成韧性夹杂物，涂层的耐磨性随碳化钒夹杂物的增多而提高。等通过火焰喷涂技术研究了加入 夹杂物对铝合金涂层耐磨性能的影响。结果表明，铝合金涂层的磨损性能铝合金基材表面耐磨性能强化研究现状 韩冰源等 图 火焰喷涂原理 由于 的存在而得到显著改善。韩付会等在 铝合金表面火焰喷涂 自熔性合金涂层并研究了其耐磨性。由于 自熔性合金中的镍固溶体本身具有很好的强韧性，并且涂层中含有碳化物、硼化物等硬质相涂层，涂层的最大显微硬度约为基体的 倍。球盘摩擦磨损的实验结果表明，涂层比基体具有更加平稳的低摩擦因数，磨损量大约是基体的。等采用超音速火焰喷涂方法在铝合金表面沉积了 涂层，测定了涂层在不同载荷作用下的磨损率。结果表明，磨损是由颗粒滚动和颗粒滑动共同作用的结果，磨损过程中颗粒的断裂提高了磨损速率，且喷涂后的磨损率较基体明显降低。王江慧等采用超音速火焰喷涂技术将碳化钨粉末喷涂在 超高强铝合金表面，对不同喷距制备的涂层的结合强度、物相组成、微观形貌进行了研究。结果表明，不同喷距制备的涂层结合强度均较好，物相组成差异不明显，并且喷距在 时孔隙率较低，显微硬度较高。上述研究选取的基体虽为不同型号的铝合金，但均利用火焰喷涂技术使得涂层具有优异的耐磨性能。不同的是，韩付会等主要通过加入耐磨性颗粒物使涂层表面硬度增加，而王江慧等则改变喷距以观察显微硬度的较高值。综上，热喷涂过程操作简单，成本低，其具有优异的非晶形成能力，适合应用于海洋工程、采油工程等设备的防护与再制造。但以上几种热喷涂方法也各有弊端，例如：应用等离子喷涂技术后涂层存在孔隙、偏析、氧化物、开裂等问题；由于电弧喷涂过程中较多粒子氧化，喷涂速度较低，相变难以控制；火焰喷涂的应用范围较小，喷涂表面不均匀。总之，热喷涂制备的工作层的热膨胀系数和弹性模量与金属基体相差较大，这会严重削弱工作层的抗冲击、抗热震、耐腐蚀等性能，因此应采用重熔等后处理技术提高基体表面耐磨损等性能。重熔处理技术 氩弧重熔氩弧重熔的实质是：在氩气介质中，正负极在焊接电流的作用下产生强烈而持久的放电，电弧燃烧后，由于电弧柱内充满高温等离子体从而释放出大量热量，这种热量会熔化金属及表面强化层中最易熔化的成分，促进溶液扩散强化过程和成分渗透，最终获得结构均匀致密、孔隙率大幅降低的表面改性层。氩弧重熔具有成本低、技术成熟、操作方便等优点。操作时可根据不同的需要选择不同的参数以获得不同的熔深。采用氩弧重熔技术可消除喷涂涂层中未熔颗粒，降低孔隙率，改善冶金结合状态，继而有效改善涂层整体服役性能和延长其寿命。等采用等离子体喷涂技术在铝合金基体上沉积 基涂层并利用钨惰性气体弧（）方法强化了 基涂层，研究了涂层前后的微观结构和耐磨性能。如图 所示，喷涂涂层出现了严重的剥落现象，在样品的磨损表面出现微裂纹、剥落坑和层状骨折。与喷涂涂层相比，重熔涂层的硬度大大增加，并且喷涂涂层的孔和层状结构消失，使重熔涂层的微观结构更加紧凑。图 重熔前后磨损表面的 图：（）喷涂涂层低倍磨损形貌；（）喷涂涂层高倍磨损形貌；（）重熔涂层低倍磨损形貌；（）重熔涂层高倍磨损形貌 ：（）；（）；（）；（）张国栋等利用钨极氩弧焊与等离子焊接原理，对铸造铝合金的汽车活塞