微弧氧化電源占空比對(duì)陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層性能的影響*

孫長飛 李更天 馬春生

(1. 江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)電氣與智能工程學(xué)院 江蘇南京 211170；2.大連捷華船舶科技有限公司 遼寧大連 116113；3.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 遼寧大連 116026)

柴油機(jī)作為船舶的核心部件，其能源效率對(duì)船舶節(jié)能具有重要意義[1-2]。為提高柴油機(jī)的能源效率，提高缸內(nèi)平均有效壓力是常見的方法[3]。在較高的平均有效壓力下，缸內(nèi)活塞會(huì)承受更高的機(jī)械和熱載荷。特別是對(duì)于中高速柴油機(jī)，活塞裙承受很高的側(cè)推力和磨損。

高硅鋁合金因其質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低，是制造活塞的常用材料。該鋁合金通常用于制造中高速柴油機(jī)的柴油機(jī)活塞[4]。然而，鋁合金的耐磨性能較弱。為提高鋁合金活塞的耐用性,學(xué)者們嘗試了多種表面技術(shù)，如表面織構(gòu)處理[5]，激光表面合金化[6-8]，機(jī)械浸漬[9]，攪拌摩擦加工(FSP)[10]，電沉積[11-12]等。目前，這些表面技術(shù)已取得一些進(jìn)展。但是，大部分涂層與基體的結(jié)合方式是化學(xué)鍵、分子鍵和機(jī)械嵌合，不適合活塞高溫重載的工作條件。

微弧氧化技術(shù)一種閥金屬的表面處理技術(shù)，可在Al、Mg、Ti、Zr、Ta、Nb等金屬及其合金表面得到與基體呈冶金結(jié)合的陶瓷層[13]，所制備的微弧氧化陶瓷涂層具有良好的抗磨損性能，但陶瓷涂層的表面硬度遠(yuǎn)高于缸套的表面硬度。因此，僅依靠微弧氧化技術(shù)對(duì)活塞裙部進(jìn)行表面處理會(huì)使得制造氣缸套的成本大大增加。為解決硬度匹配性的問題，有學(xué)者創(chuàng)新地將電泳沉積技術(shù)與微弧氧化技術(shù)相復(fù)合，制備得到了具有一定自潤滑性能的陶瓷基復(fù)合涂層[14-15]。微弧氧化電源電參數(shù)主要包括電壓、頻率、占空比，其中占空比是在一個(gè)脈沖循環(huán)內(nèi)，通電時(shí)間與總時(shí)間的比值。占空比的大小決定著單位時(shí)間內(nèi)微弧氧化的有效放電時(shí)間，對(duì)微弧氧化反應(yīng)形成的陶瓷層表面形貌具有重要的影響。微弧氧化陶瓷層的表面微觀結(jié)構(gòu)在摩擦磨損過程中起到表面織構(gòu)、儲(chǔ)存自潤滑添加劑的作用。所以，微弧氧化陶瓷層表面形貌的調(diào)控對(duì)提升復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能至關(guān)重要，本文作者重點(diǎn)研究微弧氧化電源占空比對(duì)陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層表面微觀結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

在ZL109鋁合金樣品(組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:11%～13% Si,0.5%～1.5% Cu,0.8%～1.3% Mg,0.8%～1.5% Ni，殘余Al。尺寸為：40 mm× 10 mm×10 mm)表面制備陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層。微弧氧化電源占空比設(shè)置為20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%。采用Na2SiO3(4 g/L)、Na2WO3(4 g/L)、KOH (2 g/L)和EDTA-2Na (2 g/L)等化學(xué)試劑，加入去離子水中配制微弧氧化電解液。利用丙烯酸陽極電泳漆(10%固體分)、MoS2顆粒(10 g/L，平均尺寸40 nm)和聚乙二醇(與MoS2質(zhì)量比為1∶3)在去離子水中制備電泳沉積電解液。微弧氧化和電泳沉積是通過自主開發(fā)的電源來實(shí)現(xiàn),微弧氧化正向電壓為420 V，負(fù)向電壓為120 V，電源頻率為500 Hz,電泳沉積電壓為360 V。

陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層的制備原理是，首先利用微弧氧化技術(shù)在鋁合金基體表面制備得到具有一定孔隙形貌的微弧氧化陶瓷層(即表面織構(gòu)層)，進(jìn)而利用電泳沉積技術(shù)將自潤滑添加劑——MoS2微納米粒子引入陶瓷層的孔隙中，最終得到陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層。在摩擦磨損的過程中，微弧氧化陶瓷層表面大部分電泳沉積層會(huì)在磨合期被磨損掉，而沉積在陶瓷層孔隙中的電泳沉積層會(huì)保留在陶瓷層的孔隙中，使得電泳沉積層中的自潤滑添加劑粒子持續(xù)發(fā)揮自潤滑的作用。

陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層的制備方法是，首先對(duì)ZL109鋁合金試樣進(jìn)行15 min的微弧氧化處理，隨后超聲波清洗60 min，在微弧氧化陶瓷層的基礎(chǔ)上進(jìn)行電泳沉積處理1 min，最后在175 ℃下烘干30 min，自然冷卻后得到自潤滑復(fù)合涂層。

采用TT260型電渦流測(cè)厚儀測(cè)量涂層的厚度。利用粗糙度測(cè)試儀(TR200)測(cè)定涂層的表面粗糙度。通過掃描電鏡(SEM,VEGA 3,TESCAN)和能譜儀分析涂層的微觀形貌和化學(xué)組成。利用X射線衍射儀(XRD,EMPYREAN)分析涂層的相組成。涂層的摩擦學(xué)性能利用自行研制的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在室溫環(huán)境及干摩擦、油潤滑條件下進(jìn)行測(cè)試，加載力為20 N，摩擦磨損時(shí)間為30 min。該試驗(yàn)機(jī)包括電源控制箱、主實(shí)驗(yàn)臺(tái)、拉壓傳感器、壓力傳感器、小型放大器、測(cè)量計(jì)算機(jī)、電荷放大器、采集卡以及輸入輸出線等主要設(shè)備。

主實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含上夾具和下夾具，下夾具通過連桿和電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連并實(shí)現(xiàn)往復(fù)移動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)的往復(fù)速度為60 r/min，即往復(fù)周期為1 s。上夾具和傳感器連接，可以采集到對(duì)摩件之間的摩擦力，并將之反饋到數(shù)據(jù)采集卡中。濾波后，計(jì)算機(jī)顯示屏顯示出摩擦力。儀器手輪可調(diào)節(jié)加載力，并通過與上夾具相連的傳感器反饋到數(shù)據(jù)顯示器中。上夾具還裝有滑油供給裝置，可調(diào)節(jié)油供給量。使用 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集摩擦力數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 000次/s。主實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖1所示。

圖1 主實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意

2 結(jié)果與分析

2.1 微弧氧化陶瓷層和復(fù)合涂層的表征

部分占空比制備得到的微弧氧化陶瓷層表面形貌如圖2所示?？梢钥闯觯苽涞玫降奈⒒⊙趸沾蓪颖砻娉尸F(xiàn)典型的火山口形貌；在占空比較低時(shí)，表面孔隙尺寸較小，當(dāng)占空比較高時(shí)，表面孔隙尺寸較大。較大的孔隙尺寸有利于沉積復(fù)合涂層，提高涂層表面MoS2微納米粒子的含量，進(jìn)而提高其摩擦學(xué)性能?；鹕娇谛蚊蔡卣髦饕晌⒒》烹娡ǖ佬纬?，若陶瓷層厚度較大，則擊穿更困難，從而形成的放電通道尺寸較大。然而，當(dāng)占空比升高到一定值時(shí)，受電源電壓和頻率等參數(shù)的限制，陶瓷層生長到一定的厚度便不能被擊穿；同時(shí)，較高的占空比會(huì)使得涂層生長速度過快，微弧氧化反應(yīng)過于劇烈，進(jìn)而會(huì)與電解液的腐蝕作用協(xié)同將外部涂層破壞，所以當(dāng)占空比升高到一定值后陶瓷層厚度減小，表面孔隙尺寸減小，缺陷增多(圖2(d)所示)。

圖2 部分微弧氧化陶瓷層表面形貌

微弧氧化陶瓷層和自潤滑復(fù)合涂層的表面粗糙度如圖3所示。陶瓷層表面粗糙度亦受到陶瓷層擊穿難易程度、微弧氧化反應(yīng)劇烈程度等因素的影響。當(dāng)占空比升高，陶瓷層厚度增加，擊穿難度提高，形成的放電通道尺寸也會(huì)相應(yīng)增加，進(jìn)而導(dǎo)致陶瓷層的表面粗糙度變大。

圖3 微弧氧化陶瓷層和陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層表面粗糙度

不同占空比條件下，制備的各陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層的橫截面形貌如圖4所示，各涂層厚度如圖5所示。

如圖4和圖5所示，當(dāng)占空比較低時(shí)，微弧氧化陶瓷層的厚度較薄，經(jīng)電泳沉積處理后，電泳沉積電壓將陶瓷層完全擊穿，故占空比20%和30%得到陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層中的陶瓷層幾乎完全消失。所得到的電泳沉積層只能沉積在鋁合金基體表面，結(jié)合狀態(tài)較差，不適合活塞的表面強(qiáng)化處理。當(dāng)占空比較高時(shí)，可形成結(jié)合狀態(tài)較好的陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層，如圖4所示。盡管此時(shí)自潤滑添加劑——二硫化鉬粒子易被電泳沉積層帶入涂層表面，但占空比過大在陶瓷層表面形成的缺陷會(huì)使復(fù)合涂層易脫落，抗重載能力降低，故占空比過大亦不適合鋁合金活塞的表面強(qiáng)化處理。

圖4 陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層橫截面形貌

圖5 微弧氧化陶瓷層和陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層厚度

當(dāng)占空比為60%和70%時(shí)，陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層與鋁合金基體結(jié)合緊密，無明顯缺陷，微弧氧化陶瓷層表面也存在一定數(shù)量和尺寸的孔隙。占空比60%所制備得到的陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層表面形貌如圖6所示。占空比60%制備得到的微弧氧化陶瓷層和自潤滑復(fù)合涂層相組成分析結(jié)果如圖7所示。根據(jù)圖7相組成分析結(jié)果和EDS分析結(jié)果，可得到圖6中的白點(diǎn)為自潤滑添加劑——MoS2微納米粒子。

圖6 占空比60%得到的自潤滑復(fù)合涂層表面形貌 圖7 占空比60%制備得到的微弧氧化陶瓷層和自潤滑復(fù)合涂層相組成

2.2 自潤滑復(fù)合涂層摩擦學(xué)性能的分析

為研究陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層的抗磨損、自潤滑性能，選擇干摩擦和油潤滑2種工況進(jìn)行往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)。對(duì)照組為鋁合金基體，摩擦因數(shù)如圖8所示。

圖8 陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層干摩擦和油潤滑下的摩擦因數(shù)

如圖8所示，無論是在干摩擦還是油潤滑條件下，陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層較鋁合金基體的摩擦因數(shù)均明顯降低。占空比20%、30%得到的復(fù)合涂層與基體結(jié)合狀態(tài)較差(見圖4(a)(b))，摩擦磨損過程中涂層易脫落(如圖9(a)(b)所示)，故其摩擦因數(shù)與基體接近。占空比為40%和50%得到的陶瓷層厚度較大，表面粗糙度較高，陶瓷層致密性較差，故所得到的自潤滑復(fù)合涂層亦容易在摩擦磨損中被破壞(如圖9(c)(d)所示)，故其摩擦因數(shù)降幅不大。占空比60%和70%得到的復(fù)合涂層結(jié)合狀態(tài)較好，在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中未被破壞(如圖9(e)(f)所示)，自潤滑性能良好，因此其摩擦因數(shù)最低，在干摩擦狀態(tài)下約為0.3，在油摩擦狀態(tài)下約為0.21。占空比為80%時(shí)陶瓷層厚度減小，表面孔隙尺寸減小，缺陷增多，故所得到的自潤滑復(fù)合涂層也容易在摩擦磨損中被破壞(如圖9(g)所示),故其摩擦因數(shù)也較大。

圖9 不同占空比下陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層磨損后表面形貌

與鋁合金基體對(duì)磨的氣缸套試樣和與占空比60%制備的自潤滑復(fù)合涂層對(duì)磨的氣缸套試樣表面微觀形貌如圖10所示。如圖10(a)所示，與鋁合金基體對(duì)磨的氣缸套試樣表面呈現(xiàn)明顯的黏著磨損痕跡，出現(xiàn)大面積的涂抹擦傷。如圖10(b)所示，與占空比60%獲得的自潤滑復(fù)合涂層對(duì)磨的氣缸套試樣表面形貌在摩擦磨損后未發(fā)生明顯變化，氣缸套表面的初始形貌依然清晰可見。如圖9(e)的局部放大圖所示，在摩擦磨損后陶瓷層表面多余的電泳沉積層已被損耗，而沉積在陶瓷層孔隙中的電泳沉積層未被磨損掉，且通過自潤滑添加劑(MoS2)發(fā)揮著減摩的作用。因此，占空比60%～70%制備得到的陶瓷基自潤滑復(fù)合涂層具備較好的摩擦學(xué)性能。

圖10 氣缸套試樣摩擦磨損后表面形貌

3 結(jié)論

(1)隨占空比的提高，微弧氧化陶瓷層的厚度、表面粗糙度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，占空比50%時(shí)陶瓷層厚度和表面粗糙度達(dá)到最大值。在占空比較低時(shí)，表面孔隙尺寸較?。划?dāng)占空比較高時(shí)，表面孔隙尺寸較大，但當(dāng)占空比達(dá)80%時(shí)，表面孔隙尺寸減小。受陶瓷層微觀形貌和成膜質(zhì)量的影響，陶瓷層自潤滑復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度差別較大，在占空比為60%～70%時(shí)，復(fù)合涂層結(jié)合狀態(tài)較好。

(2)相對(duì)于鋁合金基體，微弧氧化-電泳沉積復(fù)合技術(shù)制備的陶瓷基復(fù)合涂層減摩效果顯著。隨占空比的提高，復(fù)合涂層的摩擦因數(shù)先減小后增大，占空比為60%～70%得到的復(fù)合涂層摩擦因數(shù)最低，在干摩擦狀態(tài)下約為0.3，在油摩擦狀態(tài)下約為0.21，且該復(fù)合涂層在摩擦磨損過程未發(fā)生脫落，減摩自潤滑性能較突出。