·610. 工程科学学报，第40卷，第5期 值为0.18左右，其摩擦系数值上下波动幅度较大， 层疏松层已经发生脱落，磨痕处有大量磨屑和明显 如图6(b)所示.而当石墨烯体积分数升高至1%和 的微裂纹产生，这是由于摩擦副在对磨过程中，不锈 2%时，在摩擦前期(0至4.5min之间)，陶瓷层摩擦 钢钢球不断地对陶瓷层表面机械冲击所造成的[)] 系数分别降至0.13和0.06左右，由于其表面硬度 如图7(b)所示，含碳陶瓷层表面磨痕较窄，磨痕表 较高，故二者在摩擦前期的摩擦系数值和其曲线的 面比较平滑，仅发生了轻微的磨损现象.这主要是 波动幅度均较低，表现出良好的耐磨减摩效 由于当石墨烯体积分数为1%时，膜层表面的硬度 果13-1，如图6(c)和(d)所示.在摩擦后期，如图6 较高、粗糙度较低，使得含碳膜层在具有减摩效果的 (d)所示，陶瓷层的摩擦系数逐渐上升，这是由于该 同时，其耐磨性也得到了明显的提高[3,5].在摩擦 陶瓷层表面粗糙度较大，加快了陶瓷层表面磨损过 副对磨过程中，由于钢球对陶瓷层表面连续不断的 程，使得摩擦副之间的实际接触面积变大所致.石 机械撞击作用，使得含碳陶瓷层表面产生大量明显 墨烯的加人，一方面降低了陶瓷层的表面粗糙度，利 的微裂纹，裂纹的萌生和扩展是导致陶瓷层表层疏 于摩擦系数的降低：另一方面，大量石墨烯吸附在陶 松层脱落的一个重要原因.因此，提高含碳陶瓷层 瓷层表面，被凝固于陶瓷层表面的熔融态氧化物包 的韧性也是改善其摩擦性能的一个重要因素[). 覆其中，在对磨的过程中，聚集于磨痕处的石墨烯起 对A和B两点的元素点扫描结果也表明，B点处碳 到一定润滑减摩的作用[5-16]. 元素含量较高，说明石墨烯在摩擦过程中逐渐聚集 图7为电解液中石墨烯体积分数分别为0和 到磨痕表面，起到了良好的固体润滑作用.而A和 1%时，所制备膜层的表面磨痕形貌照片.对A和B B点两处铁和氧元素峰值相对较高，说明磨痕表面 两点进行元素点扫描如图8所示.由图7(a)可以 存在大量由钢球表面转移到陶瓷层表面的磨屑，转 看出，不含碳的陶瓷层由于表面硬度较低和粗糙度 移的铁元素在局部高温作用下，与空气中氧气反应 较大，导致其磨痕较深，较宽，并发生严重的黏着磨 形成氧化铁，在高速对磨产生大量热量的作用下，铁 损现象.从其局部放大图中可以看出，陶瓷层的表 的氧化物“冷焊”于陶瓷层表面1] (n 100m 部放 裂纹 00m 图7不同石墨烯体积分数的电解液中制备陶瓷层磨痕形貌照片.(a)0:(b)1% Fig.7 Worn surface morphologies of MAO coatings formed in electrolytes containing various GE concentrations:(a)0;(b)1% 尺寸逐渐降低，其陶瓷层表面粗糙度呈现出先降低 3结论 后升高的趋势 (1)通过在微弧氧化电解液中加入石墨烯添加 (2)含碳陶瓷层主要由SiO,、Mg,SiO,以及Mg0 剂，在镁锂合金表面制备出含碳微弧氧化陶瓷层. 等物相组成.由于石墨烯添加剂的加入，促进了高 随着电解液中石墨烯含量的增加，陶瓷层表面微孔 硬度SiO2和Mg0物相的生成，对提高陶瓷层表面工程科学学报,第 40 卷,第 5 期 值为 0郾 18 左右,其摩擦系数值上下波动幅度较大, 如图 6(b)所示. 而当石墨烯体积分数升高至 1% 和 2% 时,在摩擦前期(0 至 4郾 5 min 之间),陶瓷层摩擦 系数分别降至 0郾 13 和 0郾 06 左右,由于其表面硬度 较高,故二者在摩擦前期的摩擦系数值和其曲线的 波动 幅 度 均 较 低, 表 现 出 良 好 的 耐 磨 减 摩 效 果[13鄄鄄14] ,如图 6(c)和(d)所示. 在摩擦后期,如图 6 (d)所示,陶瓷层的摩擦系数逐渐上升,这是由于该 陶瓷层表面粗糙度较大,加快了陶瓷层表面磨损过 程,使得摩擦副之间的实际接触面积变大所致. 石 墨烯的加入,一方面降低了陶瓷层的表面粗糙度,利 于摩擦系数的降低;另一方面,大量石墨烯吸附在陶 瓷层表面,被凝固于陶瓷层表面的熔融态氧化物包 覆其中,在对磨的过程中,聚集于磨痕处的石墨烯起 到一定润滑减摩的作用[15鄄鄄16] . 图 7 为电解液中石墨烯体积分数分别为 0 和 1% 时,所制备膜层的表面磨痕形貌照片. 对 A 和 B 两点进行元素点扫描如图 8 所示. 由图 7( a)可以 看出,不含碳的陶瓷层由于表面硬度较低和粗糙度 较大,导致其磨痕较深,较宽,并发生严重的黏着磨 损现象. 从其局部放大图中可以看出,陶瓷层的表 层疏松层已经发生脱落,磨痕处有大量磨屑和明显 的微裂纹产生,这是由于摩擦副在对磨过程中,不锈 钢钢球不断地对陶瓷层表面机械冲击所造成的[17] . 如图 7(b)所示,含碳陶瓷层表面磨痕较窄,磨痕表 面比较平滑,仅发生了轻微的磨损现象. 这主要是 由于当石墨烯体积分数为 1% 时,膜层表面的硬度 较高、粗糙度较低,使得含碳膜层在具有减摩效果的 同时,其耐磨性也得到了明显的提高[13,15] . 在摩擦 副对磨过程中,由于钢球对陶瓷层表面连续不断的 机械撞击作用,使得含碳陶瓷层表面产生大量明显 的微裂纹,裂纹的萌生和扩展是导致陶瓷层表层疏 松层脱落的一个重要原因. 因此,提高含碳陶瓷层 的韧性也是改善其摩擦性能的一个重要因素[17] . 对 A 和 B 两点的元素点扫描结果也表明,B 点处碳 元素含量较高,说明石墨烯在摩擦过程中逐渐聚集 到磨痕表面,起到了良好的固体润滑作用. 而 A 和 B 点两处铁和氧元素峰值相对较高,说明磨痕表面 存在大量由钢球表面转移到陶瓷层表面的磨屑,转 移的铁元素在局部高温作用下,与空气中氧气反应 形成氧化铁,在高速对磨产生大量热量的作用下,铁 的氧化物“冷焊冶于陶瓷层表面[18] . 图 7 不同石墨烯体积分数的电解液中制备陶瓷层磨痕形貌照片. (a) 0; (b) 1% Fig. 7 Worn surface morphologies of MAO coatings formed in electrolytes containing various GE concentrations: (a)0; (b) 1% 3 结论 (1)通过在微弧氧化电解液中加入石墨烯添加 剂,在镁锂合金表面制备出含碳微弧氧化陶瓷层. 随着电解液中石墨烯含量的增加,陶瓷层表面微孔 尺寸逐渐降低,其陶瓷层表面粗糙度呈现出先降低 后升高的趋势. (2)含碳陶瓷层主要由 SiO2 、Mg2 SiO4 以及 MgO 等物相组成. 由于石墨烯添加剂的加入,促进了高 硬度 SiO2 和 MgO 物相的生成,对提高陶瓷层表面 ·610·