文磊等：铝合金表面纳米化一微弧氧化复合涂层摩擦行为 ·1351· 是微弧氧化处理降低了基体合金的疲劳性能8-.之 牌号为2024-T4)铝合金板材，热处理状态为淬火加自 前的研究结果表明，利用金属纳米化表层过渡组织特 然时效，其化学成分如表1所示 征及微弧氧化陶瓷层在金属纳米晶层原位生长的特 点，在微弧氧化处理前引入表面机械研磨前处理，通过 表1LY12CZ铝合金的化学成分（质量分数） 在基体金属材料表面引入纳米晶层和残余压应力可以 Table 1 Chemical composition of LY12CZ alloy 有效提高微弧氧化后铝合金的疲劳性能四.然而，表 Cu Mg Mn Fe Si Zn Ti Cr 面纳米化处理后的纳米晶基材对微弧氧化涂层的微观 4.361.490.460.250.140.070.01<0.01余量 组织结构产生影响，势必影响到微弧氧化处理后涂层 材料的摩擦学性能这一关键服役性能.本文通过表面 1.2纳米化一微弧氧化复合涂层的设计及制备 1.2.1复合涂层的结构设计 机械研磨处理(surface mechanical attrition treatment, 利用金属纳米化表层过渡组织特征及微弧氧化陶 SMAT)在LY12CZ铝合金表面制备表面纳米化(SNC) 过渡层，再采用微弧氧化技术对纳米晶过渡层进行 瓷涂层在金属纳米晶层原位生长的特点，复合运用表 微结构重构，制备出纳米化一微弧氧化(SNC-MAO) 面纳米化与微弧氧化技术来设计铝合金表面纳米化一 复合涂层，对比研究了铝合金表面微弧氧化涂层及 微弧氧化复合涂层.铝合金表面纳米化一微弧氧化复 纳米化微弧氧化复合涂层的摩擦学行为，并揭示了 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 磨损机制. 后利用微弧氧化技术在现有电解液体系中于铝合金纳 1实验材料及方法 米晶层表面生长制备出纳米化一微弧氧化复合涂层. 1.1实验用原材料 铝合金表面纳米化一微弧氧化复合涂层的结构设计及 本研究所用材料为厚度为3mm的LY12CZ(国际 基本工艺流程如图1所示. 纳米化微弧氧化 铝合金表面 复合涂层 铝合金 表面机械 纳米晶层 88 研磨处理 微孤氧化 图1铝合金表面纳米化一微弧氧化复合涂层结构设计及制备工艺流程 Fig.1 Structure design and fabrication process of an SNC-MAO composite coating formed on the Al alloy surface 1.2.2表面机械研磨处理 抽真空 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1200SiC砂纸打磨后， 在丙酮溶液中超声清洗10min后放入干燥皿备用.采 样品 用直径6mm的Z02陶瓷球作为弹射介质对LY12CZ 铝合金进行表面机械研磨处理，弹射距离6cm,振动频 率50Hz,处理时间设定为15min.弹射球放置于真空 Q U型容器内部，被处理样品固定于容器顶端，表面机械 研磨处理过程中，置于U型容器底端的振动发生器以 设定频率上下振动，容器内部的弹射球在受到振动发 振动发生器 生器的驱动后随机地从各个方向以较大的能量撞击被 处理材料表面，这种高能撞击使样品表面产生强烈的 图2表面机械研磨处理装置示意图 塑性变形，在处理过程中弹射球的反复撞击下，被处理 Fig.2 Schematic of the equipment for surface mechanical attrition 试样表面实现纳米化.表面机械研磨处理装置示意图 treatment 见图2 合金进行表面陶瓷化处理.微弧氧化装置主要由双极 1.2.3微弧氧化 脉冲高压电源、不锈钢电解槽、冷却系统和搅拌系统组 采用MA065型65kW微弧氧化实验生产装置对 成，微弧氧化处理过程中不锈钢电解槽作为阴极，待处 LY12CZ铝合金基体及表面机械研磨处理LY12CZ铝 理工件作为阳极，电参数的正负幅值的比率均可以进文 磊等: 铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层摩擦行为 是微弧氧化处理降低了基体合金的疲劳性能［18--19］． 之 前的研究结果表明，利用金属纳米化表层过渡组织特 征及微弧氧化陶瓷层在金属纳米晶层原位生长的特 点，在微弧氧化处理前引入表面机械研磨前处理，通过 在基体金属材料表面引入纳米晶层和残余压应力可以 有效提高微弧氧化后铝合金的疲劳性能［20］． 然而，表 面纳米化处理后的纳米晶基材对微弧氧化涂层的微观 组织结构产生影响，势必影响到微弧氧化处理后涂层 材料的摩擦学性能这一关键服役性能． 本文通过表面 机械 研 磨 处 理 ( surface mechanical attrition treatment， SMAT) 在 LY12CZ 铝合金表面制备表面纳米化( SNC) 过渡层，再采用微弧氧化技术对纳米晶过渡层进行 微结构重构，制备出纳 米 化--微 弧 氧 化( SNC-MAO) 复合涂层，对比研究了铝合金表面微弧氧化涂层及 纳米化--微弧氧化复合涂层的摩擦学行为，并揭示了 磨损机制． 1 实验材料及方法 1. 1 实验用原材料 本研究所用材料为厚度为 3 mm 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． 表 1 LY12CZ 铝合金的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of LY12CZ alloy % Cu Mg Mn Fe Si Zn Ti Cr Al 4. 36 1. 49 0. 46 0. 25 0. 14 0. 07 0. 01 ＜ 0. 01 余量 1. 2 纳米化--微弧氧化复合涂层的设计及制备 1. 2. 1 复合涂层的结构设计 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． 图 1 铝合金表面纳米化--微弧氧化复合涂层结构设计及制备工艺流程 Fig． 1 Structure design and fabrication process of an SNC--MAO composite coating formed on the Al alloy surface 1. 2. 2 表面机械研磨处理 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 80 mm × 80 mm × 3 mm，试样经 1200# SiC 砂纸打磨后， 在丙酮溶液中超声清洗 10 min 后放入干燥皿备用． 采 用直径 6 mm 的 ZrO2陶瓷球作为弹射介质对 LY12CZ 铝合金进行表面机械研磨处理，弹射距离 6 cm，振动频 率 50 Hz，处理时间设定为 15 min． 弹射球放置于真空 U 型容器内部，被处理样品固定于容器顶端，表面机械 研磨处理过程中，置于 U 型容器底端的振动发生器以 设定频率上下振动，容器内部的弹射球在受到振动发 生器的驱动后随机地从各个方向以较大的能量撞击被 处理材料表面，这种高能撞击使样品表面产生强烈的 塑性变形，在处理过程中弹射球的反复撞击下，被处理 试样表面实现纳米化． 表面机械研磨处理装置示意图 见图 2． 1. 2. 3 微弧氧化 采用 MAO--65 型 65 kW 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 图 2 表面机械研磨处理装置示意图 Fig． 2 Schematic of the equipment for surface mechanical attrition treatment 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 ·1351·