添加Y（NO3）3電解液體系MAO陶瓷層組織和隔熱性能研究*

趙玉厚，韓　婧，王　萍（西安工業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，西安710021）

?

添加Y（NO3）3電解液體系MAO陶瓷層組織和隔熱性能研究*

趙玉厚，韓婧，王萍
（西安工業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，西安710021）

摘 要：為研究電解液中Y（NO3）3對(duì)微弧氧化陶瓷層組織、生長(zhǎng)速率及隔熱性能的影響，通過(guò)微弧氧化技術(shù)在鋯鹽體系和鋯釔鹽體系電解液中于Al-Si合金表面制備ZrO2-Al2O3陶瓷層和Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層.采用環(huán)境掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀分別對(duì)陶瓷層進(jìn)行了表面、截面形貌分析，以及物相組成分析.利用渦流測(cè)厚儀測(cè)量不同反應(yīng)時(shí)間段的膜厚，分析兩種體系陶瓷層生長(zhǎng)速率.通過(guò)自制隔熱測(cè)試裝置對(duì)兩種不同體系陶瓷層進(jìn)行了隔熱性能測(cè)試.結(jié)果表明：ZrO2-Al2O3陶瓷層表面由胞狀熔融物燒結(jié)而成，粗糙度較大，并分布著孔徑較大的放電通道，膜厚約20μm；而Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層表面由細(xì)小顆粒組成，粗糙度較小，且陶瓷層更加致密，厚度增大到28μm.兩種體系陶瓷層均形成了ZrO2及Al2O3相，在約20°～30°范圍之間出現(xiàn)明顯的“饅頭包”現(xiàn)象，說(shuō)明陶瓷層中均含有非晶成分；但鋯釔鹽體系陶瓷層中形成了釔部分穩(wěn)定鋯的固溶體（Y2O3和Y0.15Zr0.85O1.93），且Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層的衍射峰“饅頭包”現(xiàn)象更為嚴(yán)重，非晶成分含量更高，說(shuō)明電解液中Y（NO3）3的加入提高了反應(yīng)溫度.Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層生長(zhǎng)速度大于ZrO2-Al2O3陶瓷層，主要表現(xiàn)為向外生長(zhǎng)厚度明顯增大.ZrO2-Al2O3陶瓷層與Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層的隔熱溫度分別為45.9℃和53.4℃，說(shuō)明后者具有更優(yōu)的隔熱效果.

關(guān)鍵詞：微弧氧化；Al-Si合金；陶瓷層；電解版；隔熱性能

鑄造Al-Si合金因力學(xué)性能和加工性能良好，具有廣闊的應(yīng)用前景.但其硬度低，耐磨性差等缺點(diǎn)，又常限制其廣泛應(yīng)用［1］.微弧氧化（Micro Arc Oxidation，MAO）技術(shù)作為一種金屬表面非常有效的陶瓷層原位生長(zhǎng)技術(shù)備受人們重視［2-4］.它是利用溶液中微弧放電直接在Al、Mg和Ti等金屬表面生成陶瓷層，由于陶瓷層與基體形成冶金結(jié)合，可顯著提高基體合金的耐磨、耐腐蝕及耐熱性能［5-9］，對(duì)改善Al-Si合金表面性能、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

陶瓷材料具有耐腐蝕、耐磨、硬度大和強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但由于陶瓷是由離子鍵或共價(jià)鍵的晶粒構(gòu)成的多晶燒結(jié)材料，在室溫下難以產(chǎn)生滑移或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，一旦處于受力狀態(tài)就難以通過(guò)滑移或位錯(cuò)所引起的塑性變形來(lái)松弛應(yīng)力，而且裂紋的生成及擴(kuò)張所需能量較小，所以陶瓷材料作為金屬表面膜層首要克服的就是脆性［10-12］.ZrO2相變?cè)鲰g陶瓷利用相變特性來(lái)提高陶瓷材料的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度，使其具有優(yōu)良的力學(xué)性能，低的熱導(dǎo)率和良好的抗熱性.但是，由于溫度的改變，ZrO2的體積會(huì)發(fā)生膨脹和收縮，從而導(dǎo)致膜層開裂.可以在ZrO2中加入CaO、MgO和Y2O3等氧化物作為穩(wěn)定劑，在保持主相結(jié)構(gòu)的同時(shí)，使之與ZrO2形成固溶體或者復(fù)合體，改變晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成亞穩(wěn)態(tài)的四方相或立方相，使其由單一的單斜相轉(zhuǎn)變成雙晶結(jié)構(gòu)的四方和立方相，從而減少ZrO2陶瓷層由于脆性導(dǎo)致的開裂［13-16］.目前，對(duì)于Y2O3-ZrO2陶瓷層的研究已有不少，但多是建立在鋁合金以外的基體表面，如鎂合金［9］、不銹鋼［17］，或者是對(duì)性能方面的探討，如耐腐蝕性能、抗高溫氧化及耐磨性能等［18-19］，而針對(duì)鋁合金表面Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層隔熱性能的文獻(xiàn)還甚少.

文中利用微弧氧化制備陶瓷層過(guò)程中以Y2O3作為穩(wěn)定劑摻入ZrO2-Al2O3陶瓷層中形成Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層，將其與ZrO2-Al2O3陶瓷層進(jìn)行對(duì)比，研究Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層微觀組織形貌，生長(zhǎng)方式及隔熱性能.

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)中所用的基體材料為鑄造Al-12.5%Si合金，加工后制得規(guī)格為?40 mm×10 mm的圓柱形試樣.使用240＃、400＃、600＃、800＃的砂紙依次打磨試樣，將磨好的試樣用丙酮擦拭，清除表面油污，吹干待用.使用MAO-10C型微弧氧化電源，不銹鋼板作為陰極電極，在K2Zr F6、KOH（加或不加0.05 g·L—1Y（NO3）3）體系電解液中進(jìn)行30 min微弧氧化工藝.分別使用FEI quanta 400環(huán)境掃描電鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）和XRD-6000型X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）儀對(duì)陶瓷層表面、截面顯微形貌及物相組成進(jìn)行分析.采用TT260型渦流測(cè)厚儀測(cè)量陶瓷層厚度，對(duì)試樣的10個(gè)不同部位厚度求平均值作為陶瓷層的最終厚度.使用自制隔熱測(cè)試裝置進(jìn)行隔熱性能測(cè)試.

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1陶瓷層表面形貌分析

圖1和圖2分別為ZrO2-Al2O3陶瓷層和Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層微觀組織形貌.從圖1 （a）可看出，ZrO2-Al2O3陶瓷層表面粗糙度較大，由許多胞狀熔融物燒結(jié)在微孔周圍組成.這些微孔是當(dāng)應(yīng)用電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，陶瓷層表面在高溫高壓作用下局部微區(qū)被擊穿放電，基體表面熔融氧化物噴出而留下的通道［20］.由圖2（a）中Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層低倍掃描照片可看到，表面呈較平坦片層狀.圖2（a）右上角部分為標(biāo)注區(qū)域的放大照片，可觀察到陶瓷層表面是由均勻分布的小顆粒狀沉積物組成的，沒(méi)有明顯的放電通道或已被熔融氧化物填埋.這種形貌的形成是因?yàn)樵阡嗎慃}電解液體系中，稀土元素Y的電負(fù)性強(qiáng)，離子半徑較大，容易被極化和變形，所以溶液中的Y3+會(huì)優(yōu)先在基體表面的缺陷處吸附形成活性點(diǎn)［21］，這些活性點(diǎn)的存在給陶瓷層晶粒的形成提供了異質(zhì)的形核中心，能有效地降低形核的活化能，進(jìn)一步提高晶粒的形成速度，從而使得陶瓷層晶粒細(xì)小、質(zhì)地致密［22］.

圖1　ZrO2-Al2O3陶瓷層微觀形貌Fig.1 Morphology of ZrO2-Al2O3ceramic coating

圖1（b）和圖2（b）分別為兩種電解液體系陶瓷層的截面.由圖1和圖2可看到，ZrO2-Al2O3陶瓷層疏松多孔，與基體之間的界面呈嚙齒狀結(jié)合，而Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層則致密均勻，與基體合金的界面呈過(guò)渡性的緊密結(jié)合，其厚度比ZrO2-Al2O3陶瓷層稍厚，約為28μm，厚度比值為7∶5.

2.2陶瓷層物相分析

圖3～4為ZrO2-Al2O3陶瓷層和Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層X(jué)射線衍射圖.由圖3和圖4可看出，ZrO2-Al2O3陶瓷層的主要物相為Al2O3、ZrO2和少量Al，而Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層中除這些物相外，還形成了釔部分穩(wěn)定鋯的固溶體（Y2O3和Y0.15Zr0.85O1.93）.有研究表明，當(dāng)Y2O3含量在1.5%～7.5%之間，即氧空位濃度為1.5%～7.5%時(shí)，四方相可以保留至室溫，其鋯-氧關(guān)系為Y0.03Zr0.97O1.97～Y0.15Zr0.85O1.85［23］.兩種體系陶瓷層的X射線衍射圖譜在約20°～30°范圍出現(xiàn)“饅頭包”現(xiàn)象，并且Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層的“饅頭包”現(xiàn)象更明顯，說(shuō)明陶瓷層中均含有一定非晶成分，如γ-Al2O3、SiO2等，并且后者含量更高.

由于亞穩(wěn)相γ-Al2O3與高溫穩(wěn)定相α-Al2O3的晶型轉(zhuǎn)變溫度為1 370℃左右，而m-ZrO2（單斜相）向t-ZrO2（四方相）的相轉(zhuǎn)變溫度也較為接近，在1 050～1 200℃之間［21］，所以ZrO2-Al2O3陶瓷層的反應(yīng)溫度可達(dá)到1 370℃以上.又由于Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層中的非晶成分含量高于ZrO2-Al2O3陶瓷層，所以可以判斷其反應(yīng)溫度也在ZrO2-Al2O3陶瓷層之上.

圖2　Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層微觀形貌Fig.2 Morphology of Y2O3-ZrO2-Al2O3ceramic coating

圖3　ZrO2-Al2O3陶瓷層X(jué)RD衍射圖譜Fig.3 XRD patterns of ZrO2-Al2O3ceramic coating

圖4　Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層X(jué)RD衍射圖譜Fig.4 XRD patterns of Y2O3-ZrO2-Al2O3ceramic coating

2.3陶瓷層的生長(zhǎng)速度對(duì)比

圖5為ZrO2-Al2O3陶瓷層及Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層厚度隨時(shí)間的增長(zhǎng)曲線對(duì)比.由圖5可以看出，在初始階段，二者的膜層增長(zhǎng)速率相差不大.隨后，ZrO2-Al2O3陶瓷層厚度增長(zhǎng)緩慢，Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層厚度以基本不變速率增長(zhǎng)，15 min后，二者厚度的差值基本保持恒定，這一階段陶瓷層反應(yīng)速度主要受電解質(zhì)濃度的影響.

圖5　兩種體系陶瓷層生長(zhǎng)速度曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of growth rate curves of the ceramic coatings formed in the two different solutions

當(dāng)在電解液體系中添加釔鹽后，由于Y3+的引入提高了陶瓷層中ZrO2的氧空位，致使在微弧氧化過(guò)程中氧空位增多，擴(kuò)散通道增多，使得氧向陶瓷層中甚至基體表面的擴(kuò)散速率增大，從而加劇反應(yīng)速度.同時(shí)，氧空位使得基體表面在進(jìn)行微弧氧化過(guò)程中更容易擊穿陶瓷層產(chǎn)生更多的放電通道，使得放電火花密集而迅速反應(yīng)，促使已經(jīng)形成的陶瓷層不斷被熔化、噴出及燒結(jié)，這也說(shuō)明了反應(yīng)速度的提高.綜上所述，Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層較ZrO2-Al2O3陶瓷層生長(zhǎng)速度快.

2.4陶瓷層的生長(zhǎng)方式對(duì)比

微弧氧化陶瓷層成膜過(guò)程中發(fā)生了熱化學(xué)、電化學(xué)、等離子體化學(xué)及界面化學(xué)等一系列反應(yīng)，因而有著復(fù)雜的成膜機(jī)理.隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，其膜層的主要生長(zhǎng)方式也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，膜層的生長(zhǎng)方式主要有向內(nèi)生長(zhǎng)和向外生長(zhǎng)兩種.

圖6為兩種電解液體系陶瓷層的生長(zhǎng)方式曲線.從圖6（a）可得知，ZrO2-Al2O3陶瓷層在初始階段約1 min內(nèi)，膜層增長(zhǎng)主要靠向外生長(zhǎng).而2～25 min之間，隨著陶瓷層向外生長(zhǎng)的厚度逐漸降低，向內(nèi)生長(zhǎng)的厚度不斷增大，直至25 min后陶瓷層不再向外生長(zhǎng)，而全部由向內(nèi)生長(zhǎng)所代替.

從圖6（b）中Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層的生長(zhǎng)方式曲線可看出，基本在整個(gè)微弧氧化過(guò)程中，陶瓷層的增厚均由向內(nèi)生長(zhǎng)起主導(dǎo)作用.在前20 min內(nèi)，陶瓷層向外生長(zhǎng)厚度與向內(nèi)生長(zhǎng)一樣逐漸增大，只是向外增長(zhǎng)的速度較慢；而當(dāng)達(dá)到20 min后，陶瓷層的向外生長(zhǎng)厚度開始下降，直至30 min時(shí)為零；其后的時(shí)間段又由向內(nèi)生長(zhǎng)主導(dǎo)陶瓷層的增厚.

兩種電解液體系陶瓷層在前25～30 min均存在向內(nèi)生長(zhǎng)與向外生長(zhǎng)同時(shí)影響厚度，而后向外生長(zhǎng)厚度變?yōu)榱?，陶瓷層厚度全部由向?nèi)生長(zhǎng)控制.這是因?yàn)樵谖⒒⊙趸跗?，基體表面所發(fā)生的反應(yīng)類似于傳統(tǒng)的陽(yáng)極氧化反應(yīng)，生成疏松的氧化鋁薄膜.隨著電壓的升高，突破法拉弟區(qū)，又由于此時(shí)基體表面已形成一定厚度的阻擋膜，為微弧氧化的電擊穿提供了失穩(wěn)表面，從而進(jìn)入到微弧氧化階段.氧化膜的某些薄弱部分首先被擊穿，發(fā)生微區(qū)弧光放電現(xiàn)象.在微弧放電階段，電解液中帶負(fù)電的Zr （OH）4溶膠粒子不斷向陽(yáng)極表面遷移，或進(jìn)入放電通道中參與反應(yīng)，并且陶瓷層內(nèi)層靠近基體表面受高溫高壓影響不斷將熔融氧化物噴出，燒結(jié)，使得向內(nèi)生長(zhǎng)厚度不斷增大，并逐漸取代向外生長(zhǎng). 但Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層的向內(nèi)生長(zhǎng)增厚速度明顯較ZrO2-Al2O3陶瓷層快，而且Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層向外生長(zhǎng)的時(shí)間較長(zhǎng)，厚度也較大.這主要是由于Y3+的引入提高了陶瓷層中ZrO2的氧空位，不僅促使反應(yīng)加劇，而且導(dǎo)致陶瓷層放電通道密度增大.放電通道作為陶瓷層向內(nèi)生長(zhǎng)的主要方式，自然促進(jìn)陶瓷層向內(nèi)生長(zhǎng)厚度.并且當(dāng)在堿性鋯鹽溶液中加入釔鹽，生成的Y（OH）3也會(huì)向陶瓷層表面沉積，所以使得陶瓷層向外生長(zhǎng)的厚度增大.

圖6　兩種體系陶瓷層的生長(zhǎng)方式曲線Fig.6 Growth mode curves of the ceramic coatings

2.5陶瓷層隔熱性能對(duì)比

圖7為兩種不同電解液體系陶瓷層的隔熱性能測(cè)試結(jié)果.相同時(shí)間內(nèi)，Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層的隔熱溫度（53.4℃）較高于ZrO2-Al2O3陶瓷層（45.9℃），說(shuō)明釔鹽的加入顯著提高了陶瓷層的隔熱效果，主要原因在于微弧氧化成膜過(guò)程中熔融氧化物由于遇到電解液快冷而形成的非晶成分，以及其組織中形成的細(xì)小晶粒［24］.研究表明：?jiǎn)尉У臒釋?dǎo)率為3.5×104W·K—1，而非晶的熱導(dǎo)率僅為1.0×102W·K—1［24］.通過(guò)X射線衍射結(jié)果得知在Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層中SiO2等的非晶成分含量高于ZrO2-Al2O3陶瓷層，并且由陶瓷層表面掃描結(jié)果可知，Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層表面由細(xì)小晶粒組成.其次，由于Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層晶格中的氧空位與散射聲子的作用會(huì)增加聲子在晶格中的離散度，隨著離散度的增加，聲子與聲子發(fā)生相互作用的可能性變大，因而會(huì)進(jìn)一步降低聲子的平均自由程［25］，從而提高了隔熱效果. ZrO2-Al2O3陶瓷層因孔隙率較高，聲子的散射加強(qiáng)并額外消耗了能量［25］，使得其隔熱效果也不錯(cuò).最后，Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層在厚度上稍占優(yōu)勢(shì)，使得隔熱性能有所提高，但與其它因素相比，其對(duì)隔熱效果的影響甚微［24］.

圖7　兩種體系陶瓷層的隔熱性能測(cè)試Fig.7 Heat insulation properties test of the ceramic coatings formed in two different solutions

3　結(jié)論

1）ZrO2-Al2O3陶瓷層表面由許多胞狀熔融物燒結(jié)在微孔周圍組成，粗糙度較大，較薄且疏松，而電解液中加入Y（NO3）3使得陶瓷層表面形成細(xì)小晶粒，粗糙度降低，厚度有所增大，且更致密.兩種體系陶瓷層主要物相都含有ZrO2和Al2O3，Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層還形成了釔部分穩(wěn)定鋯的固溶體（Y2O3和Y0.15Zr0.85O1.93），證明增加了ZrO2的氧空位；并且其非晶成分含量高于ZrO2-Al2O3陶瓷層，說(shuō)明反應(yīng)溫度有所提高.

2）由于Y3+的引入提高了陶瓷層中氧空位，使得在微弧氧化過(guò)程中擴(kuò)散通道增多，從而提高了陶瓷層的生長(zhǎng)速度，并促進(jìn)了向內(nèi)生長(zhǎng)，故而Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層的生長(zhǎng)速率高于ZrO2-Al2O3陶瓷層.

3）Y2O3-ZrO2-Al2O3陶瓷層中大量的微小晶粒、非晶成分以及氧空位等因素都使得陶瓷層的隔熱性能好于ZrO2-Al2O3陶瓷層.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 余磊，蔡啟舟.ZL101等離子體電解氧化工藝及膜層形成機(jī)理的研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007. YU Lei，CAI Qizhou.Research on Process and Coating Formation Mechanism in Plasma Electrolytic Oxidation of ZL101［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2007.（in Chinese）

［2］ VOEVODIN A A，YEROKHIN A L，LYUBIMOV V V，et al.Characterization of Wear Protective Al-Si-O Coatings Formed on Al-Based Alloys by Microarc Discharge Treatment［J］.Surface and Coatings Technology，1996，86（1）：516.

［3］ YEROKHIN A L，NIE X，LEYLAND A，et al.Plasma Electrolysis for Surface Engineering［J］.Surface and Coatings Technology，1999，122（2／3）：73.

［4］ CHEN Z T，LI G，WU Z Q，et al.The Crack Propagating Behavior of Composite Coatings Prepared by PEO on Aluminized Steel during in Situ Tensile Processing［J］.Materials Science and Engineering：A，2011，528（3）：1409.

［5］ HU C J，HSIEH M H.Preparation of Ceramic Coatings on an Al-Si Alloy by the Incorporation of ZrO2Particles in Microarc Oxidation［J］.Surface and Coatings Technology，2014，258（15）：275.

［6］ LIU F，SHAN D Y，SONG Y W，et al.Corrosion Behavior of the Composite Ceramic Coating Containing Zirconium Oxides on AM30 Magnesium Alloy by Plasma Electrolytic Oxidation［J］.Corrosion Science，2011，53（11）：3845.

［7］ HUSSEIN R O，NORTHWOOD D O，NIE X.The Effect of Processing Parameters and Substrate Composition on the Corrosion Resistance of Plasma Electrolytic Oxidation（PEO）Coated Magnesium Alloys ［J］.Surface&Coatings Technology，2013，237（12）：357.

［8］ HUSSEIN R O，NORTHWOOD D O，SU J F，et al. A Study of the Interactive Effects of Hybrid Current Modes on the Tribological Properties of a PEO（Plasma Electrolytic Oxidation）Coated AM60B Mg-Alloy ［J］.Surfce and Coatings Technology，2013，215（2）：421.

［9］ 蔡啟舟，劉峰，嚴(yán)青松，等.鎂合金微弧氧化Y2O3-ZrO2-MgO膜制備及性能［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（8）：27. CAI Qizhou，LIU Feng，YAN Qingsong，et al.Preparation and Performance of Y2O3-ZrO2-MgO Composite Coating on Magnesium Alloy by Microarc Oxidation［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Natural Science Edition），2011，39 （8）：27.（in Chinese）

［10］ 熊炳昆，林振漢，楊新民，等.二氧化鋯制備工藝與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009. XIONG Bingkun，LIN Zhenhan，YANG Xinmin，et al.Preparation Process and Application of Zirconium Dioxide［M］.Beijing：Metallurgical Industry Press，2009.（in Chinese）

［11］ 金志浩，高積強(qiáng)，喬冠軍.工程陶瓷材料［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2000. JIN Zhihao，GAO Jiqiang，QIAO Guanjun.Engineering Ceramics［M］.Xi’an：Xi’an Jiaotong University Press，2000.（in Chinese）

［12］ 徐進(jìn)，宋玉泉.結(jié)構(gòu)陶瓷超塑性的研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005. XU Jin，SONG Yuquan.A Study of Superplasticity of Structural Ceramics［D］.Changchun：Jilin University，2005.（in Chinese）

［13］ 宋玉泉，劉穎，徐進(jìn)，等.結(jié)構(gòu)陶瓷及其超塑性［J］.金屬學(xué)報(bào)，2009，45（1）：6. SONG Yuquan，LIU Ying，XU Jin，et al.Structural Ceramics and Their Superplasticity［J］.Acta Metallurgica Sinica，2009，45（1）：6.（in Chinese）

［14］ 林振漢，張玲秀，陸芝華.氧化鋯基系的相變和穩(wěn)定化作用的研究［J］.上海金屬：有色分冊(cè)，1988，9（2）：27. LIN Zhenhan，ZHANG Lingxiu，LU Zhihua.Study of Phase Change and Stabilization in Zirconia Base Systems［J］.Shanghai Metal：Nonferrous Volume，1988，9（2）：27.（in Chinese）

［15］ 尹衍升，陳守鋼，劉英才.氧化鋯陶瓷的摻雜穩(wěn)定及生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004. YIN Yansheng，CHEN Shougang，LIU Yingcai.Stability and Growth Kinetics of Zirconia Ceramics ［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2004. （in Chinese）

［16］ 林振漢.氧化鋯材料的特性及在結(jié)構(gòu)陶瓷中的應(yīng)用和發(fā)展［J］.稀有金屬快報(bào)，2004，23（6）：6. LIN Zhenhan.Characteristics of Zirconia Materials and the Application and Development of Structural Ceramics［J］.Rare Metal Letters，2004，23（6）：6. （in Chinese）

［17］ 于維平，李凡，孟琳.雙等離子體微弧沉積ZrO2和Y2O3-ZrO2陶瓷涂層［J］.材料通報(bào)，2001，46（20）：1754. YU Weiping，LI Fan，MENG Lin.Ceramic Coatings of ZrO2and Y2O3-ZrO2by Double Plasma Micro-arc Deposition［J］.Material Bulletin，2001，46（20）：1754.（in Chinese）

［18］ 駱海賀.AZ91D鎂合金微弧氧化Y2O3-ZrO2復(fù)合陶瓷膜層的制備、表征及性能研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009. LUO Haihe.Preparation，Characterization and Performances of Y2O3-ZrO2Composite Ceramic Coatings on AZ91D Magnesium Alloy by Microarc Oxidation［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2009.（in Chinese）

［19］ 劉峰，蔡啟舟.AZ91D鎂合金微弧氧化Y2O3-ZrO2-MgO復(fù)合膜的制備及性能研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012. LIU Feng，CAI Qizhou.Preparation and Performances of Y2O3-ZrO2-MgO Composite Ceramic Coatings on AZ91D Magnesium Alloy by Micro-arc Oxidation［D］. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2012.（in Chinese）

［20］ LIU X H，ZHU L Q，LIU H C，et al.Investigation of MAO Coating Growth Mechanism on Al Alloy by Two-step Oxidation Method［J］.Applied Surface Science，2014，293：12.

［21］ 張靜，劉向東，劉曉麗，等.稀土對(duì)ZAlSi12Cu2Mg1陶瓷層性能的影響［J］.特種鑄造及有色合金，2007，27 （12）：966. ZHANG Jing，LIU Xiangdong，LIU Xiaoli，et al.The Influence of Rare Earth on Performance of ZAlSi12Cu2Mg1Ceramic Layer［J］.Special Casting and Nonferrous Alloys，2007，27（12）：966.（in Chinese）

［22］ 張圣麟，岳小欽，陳燕燕.氧化釔對(duì)6061鋁合金磷化膜性能的影響［J］.腐蝕與防護(hù)，2009，30（6）：398. ZHANG Shenglin，YUE Xiaoqin，CHEN Yanyan. Effect of Yttrium Oxide on Phosphate Coating Per-formance on 6061 Al Alloy［J］.Corrosion&Protection，2009，30（6）：398.（in Chinese）

［23］ 路新瀛，梁開明，顧守仁，等.氧空位對(duì)氧化鋯相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及相變過(guò)程的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，1996，24 （6）：670. LU Xinying，LIANG Kaiming，GU Shouren，et al. Influence of Oxygen Vacancy on Phase Structure and Transformation of Zirconia［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，1996，24（6）：670. （in Chinese）

［24］ CURRAN J A，CLYNE T W.The Thermal Conductivity of Plasma Electrolytic Oxide Coatings on Aluminium and Magnesium［J］.Surface and Coatings Technology，2005，199（2／3）：177.

［25］ 牟仁德，陶春虎，陸峰.熱障涂層隔熱性能研究［D］.北京：北京航空材料研究院，2007. MOU Rende，TAO Chunhu，LU Feng.Investigation of Thermal Insulation Effect on Thermal Barrier Coatings［D］.Beijing：Beijing Institute of Aeronautical Materials，2007.（in Chinese）

（責(zé)任編輯、校對(duì) 張 超）

簡(jiǎn) 訊

ELID超精密鏡面磨削設(shè)備

在線電解砂輪修整（Electrolytic In-process Dressing，ELID）磨削技術(shù)是適應(yīng)現(xiàn)代化高技術(shù)發(fā)展需要而發(fā)展起來(lái)的一種機(jī)械加工新工藝，其集成了現(xiàn)代機(jī)械、液壓、光學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)、計(jì)量及材料等先進(jìn)技術(shù)成就，被國(guó)際上公認(rèn)為是最有前途的超精密鏡面磨削方法。

西安工業(yè)大學(xué)在對(duì)氧化膜產(chǎn)生機(jī)理和電解參數(shù)對(duì)氧化膜生成影響規(guī)律的研究積累基礎(chǔ)上，提出利用現(xiàn)代測(cè)試和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，對(duì)磨削過(guò)程中的氧化膜厚度進(jìn)行在線測(cè)量，并通過(guò)計(jì)算機(jī)比較分析后對(duì)電解參數(shù)進(jìn)行在線控制，使得氧化膜在磨削過(guò)程中保持恒定，研制出了ELID超精密鏡面磨削設(shè)備，該設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)了鏡面磨削，提高了磨削過(guò)程的穩(wěn)定性，具有磨削效率高、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，從而大大縮短達(dá)到納米表面的加工時(shí)間，提高了納米表面生成效率，突破了該項(xiàng)技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的效率瓶頸，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，對(duì)提高我國(guó)的超精密加工技術(shù)起到重要的作用。

該設(shè)備具有良好的性價(jià)比，可廣泛應(yīng)用于光學(xué)玻璃、工程陶瓷、半導(dǎo)體材料、單晶材料及硬質(zhì)合金等先進(jìn)材料的精密與超精密加工，促進(jìn)這些材料在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，其在工程實(shí)際中的應(yīng)用極大地改善了相關(guān)產(chǎn)品性能與可靠性。由西安工業(yè)大學(xué)開發(fā)的ELID超精密鏡面磨削設(shè)備，形成批量生產(chǎn)后預(yù)計(jì)售價(jià)為40萬(wàn)元人民幣左右，而在實(shí)現(xiàn)同等功能的情況下，國(guó)外公司的產(chǎn)品價(jià)格卻非常昂貴，基本售價(jià)在9～18萬(wàn)美元之間。如日本THE NEXSYS CORPORATION生產(chǎn)的UVG-380超精密磨削設(shè)備售價(jià)為18萬(wàn)美元。該型設(shè)備的研制成功必將促進(jìn)我國(guó)軍工行業(yè)加工技術(shù)水平的進(jìn)步，對(duì)提高我國(guó)高技術(shù)產(chǎn)品的制造能力，降低制造成本，提高產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力都具有極其重要的意義。

（張立新）

Study of Microstructure and Heat Insulation Properties of PEO Ceramic Coatings Formed in Electrolyte With Y（NO3）3

ZHAO Yuhou，HAN Jing，WANG Ping
（School of Materials and Chemical Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China）

Abstract：Effects of Y（NO3）3in electrolyte on the microstructure，growth rate and heat insulation properties of PEO ceramic coatings were investigated by preparing ZrO2-Al2O3ceramic coating and Y2O3-ZrO2-Al2O3ceramic coating on Al-Si alloys through plasma electrolytic oxidation（PEO）technique in zirconium salt solution and zirconium yttrium salt solution，respectively.The surface and cross-sectionbook=132,ebook=49morphologies and the phase composition of the coatings were characterized by environmental scanning electron microscope（ESEM）and X-ray diffraction（XRD）.The thicknesses in different stages of reaction were measured by eddy current thickness meter to study the growth rate of the coatings formed in the two different solution systems.Last，the heat insulation properties were tested through self-made heat insulation testing device.The result indicated：The surface of the ZrO2-Al2O3ceramic coating was composed of cystiform sintered melts，and was rather coarse with many discharge channels of large diameter scattered on it evenly.Its thickness was about 20μm.However，the surface of the Y2O3-ZrO2-Al2O3ceramic coating was smooth and dense，which was consisted of fine particles.And the thickness of it increased to around 28μm.Both of the two kinds of ceramic coatings included phases of ZrO2and Al2O3，and the diffraction peaks appeared the phenomenon of“steamed bun peak”in 2θrange of about 20°～30°，which indicated apparently a certain proportion of amorphous components.Moreover，solid solution of yttrium partially stabilized zirconium（Y2O3and Y0.15Zr0.85O1.93）also was found in the coating treated in zirconium yttrium salt solution.The Y2O3-ZrO2-Al2O3ceramic coating displayed heavier" steamed bun peak"phenomenon，meant higher content of amorphous components in it，also suggested that the addition of Y（NO3）3in the electrolyte improved the reaction temperature.The result of growth rate and mode showed that the Y2O3-ZrO2-Al2O3ceramic coating growed faster than ZrO2-Al2O3ceramic coating，mainly due to the obviously increased thickness of the outward growth.Finally，the heat insulation property test concluded that the heat insulation temperature of ZrO2-Al2O3ceramic coating and Y2O3-ZrO2-Al2O3ceramic coating was 45.9℃and 53.4℃，respectively，which illustrated the latter one had a better heat insulation effect.

Key Words：MAO；Al-Si alloys；ceramic coating；electrolyte；heat insulation properties

作者簡(jiǎn)介：趙玉厚（1961—），男，西安工業(yè)大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)殇X基復(fù)合材料.E-mail：zhyh01＠163.com.

基金資助：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51401155；51201120）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015JQ5175）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2012CB619602-3；2012CB619606-2）；陜西省教育廳項(xiàng)目（2012JC13）

*收稿日期：2015-07-24

DOI：10.16185／j.jxatu.edu.cn.2016.02.008

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：中圖號(hào)： TG174.4 A

文章編號(hào)：1673-9965（2016）02-0131-08