基于微弧氧化技術(shù)的鎂合金耐磨減摩復(fù)合膜層研究現(xiàn)狀

樊志斌 趙丹 李小亮

摘要：輕質(zhì)化是當今金屬材料發(fā)展的一大趨勢，各領(lǐng)域越來越多采用鎂合金作為結(jié)構(gòu)或功能材料，而微弧氧化技術(shù)可以改善鎂合金表面摩擦學(xué)性能，但由于硬度低和易磨損等性質(zhì)，限制了鎂合金的使用范圍和壽命。本文首先論述基于微弧氧化技術(shù)制備鎂合金耐磨減摩復(fù)合膜層的研究現(xiàn)狀，其次將復(fù)合制備技術(shù)分為微弧氧化直接復(fù)合技術(shù)（在電解液中添加各類微納米顆粒制備復(fù)合膜層）和微弧氧化二次復(fù)合技術(shù)（將微弧氧化和其他表面處理技術(shù)結(jié)合制備復(fù)合膜層），并總結(jié)制備工藝及其對復(fù)合膜層摩擦學(xué)性能的影響，最后對基于微弧氧化技術(shù)改善鎂合金復(fù)合膜層耐磨減摩性能的未來發(fā)展進行展望，以供參考。

關(guān)鍵詞：鎂合金；微弧氧化；復(fù)合技術(shù)；復(fù)合膜層；耐磨減摩性能

DOI：10.12433/zgkjtz.20232828

基金項目：寧波市自然科學(xué)基金項目

項目編號：2021J041

鎂合金在電子產(chǎn)品領(lǐng)域因其輕質(zhì)的優(yōu)點而具有廣泛的應(yīng)用前景和意義。而且鎂合金還因其良好的阻尼特性、優(yōu)良的電磁屏蔽效果和良好的生物相容性等優(yōu)勢而備受關(guān)注。但鎂合金在摩擦學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用因摩擦系數(shù)大、粘著磨損嚴重、強烈的咬合傾向和耐磨性差等問題而受到限制。因此，開發(fā)耐磨減摩鎂合金及相關(guān)加工工藝，一直是重點研究方向之一。

微弧氧化技術(shù)是一種新型的輕質(zhì)合金表面強化改性方法，通過利用微弧放電產(chǎn)生的高溫瞬間熔融基體金屬，隨后在電解液的冷淬作用下，金屬熔融物與電解液反應(yīng)，在金屬表面形成氧化物陶瓷膜層。微弧氧化技術(shù)在提高鎂合金耐磨減摩性能方面被廣大學(xué)者高度重視并廣泛應(yīng)用。學(xué)者們已經(jīng)詳細研究了電解液體系和電參數(shù)對鎂合金表面耐磨減摩性能的影響，通過優(yōu)化這些工藝參數(shù)，極大提高了陶瓷層的品質(zhì)。然而，微弧氧化技術(shù)仍存在一些不足，例如陶瓷層中存在的孔隙和有限的相組成，這些可能會對鎂合金的長期有效性能產(chǎn)生不利影響。

在嚴苛的工作條件下，單一的表面處理技術(shù)已無法滿足需求，而復(fù)合處理工藝為其提供了有效的解決方案。近期的研究焦點是利用微弧氧化技術(shù)制備復(fù)合膜層，從而提高鎂合金表面的耐磨和減磨性能。微弧氧化復(fù)合膜層技術(shù)一般可以分為直接復(fù)合和二次復(fù)合兩種類型。復(fù)合膜層技術(shù)主要分為兩類：直接復(fù)合技術(shù)和二次復(fù)合技術(shù)。在直接復(fù)合技術(shù)中，不溶性的微納米顆粒被加入到電解液中，從而在鎂合金表面形成復(fù)合膜層。這些顆粒在微弧氧化過程中會惰性地沉積在膜層表面或與氧化陶瓷層發(fā)生反應(yīng)，從而改變膜層的表面形貌、成分和組織結(jié)構(gòu)，并增強其耐磨減摩性能。二次復(fù)合技術(shù)則是利用微弧氧化表面均布的盲性微孔形貌特征，結(jié)合其他表面處理技術(shù)來制備耐磨減摩復(fù)合膜層。

本文綜述了近年來國內(nèi)外利用微弧氧化復(fù)合技術(shù)在鎂合金表面制備耐磨減摩膜層的研究現(xiàn)狀，并指出微弧氧化技術(shù)在鎂合金耐磨減摩方面需要進一步發(fā)展的方向。

一、微弧氧化直接復(fù)合技術(shù)

電解液在微弧氧化過程中起著決定性作用，會影響膜層的結(jié)構(gòu)和性能。通過添加功能性微納米顆粒，可以改變電解液的成分，進而影響膜層的表面形貌、相組成、厚度、致密度、粗糙度等特性，從而改變微弧氧化膜層的摩擦學(xué)性能。目前的研究中，針對不同性質(zhì)的微納米顆粒分為兩類：一類是加入高硬度的穩(wěn)定陶瓷顆粒（如SiC、Al2O3、Si3N4、SiO2、ZrO2、TiN、WC等），以提高膜層的硬度、致密性，從而改善復(fù)合膜層的耐磨性能；另一類是加入具有自潤滑作用的軟顆粒（如石墨、石墨烯、PTFE、MoS2等），以降低膜層的摩擦系數(shù)，從而改善復(fù)合膜層的減摩性能。

（一）直接復(fù)合耐磨技術(shù)

在鎂合金微弧氧化膜層中沉積納米SiC顆粒，能明顯提高膜層的硬度，降低膜層表面的孔隙率和膜層的磨損率。Wang等在AZ91D鎂合金表面制備了含納米SiC顆粒的復(fù)合膜層，經(jīng)納米SiC顆粒微弧氧化復(fù)合處理后，AZ91D鎂合金的硬度由基體的63.3HV分別增加至微弧氧化膜層和復(fù)合膜層的372±65HV和445±62HV；載荷為10N、磨損時間為15min時，微弧氧化膜層和復(fù)合膜層可將AZ91D鎂合金的摩擦系數(shù)從基體的0.2512降低到0.2287和0.1846。復(fù)合膜層的磨損率僅為微弧氧化陶瓷膜層的1/4，表明它具有更好的耐磨性。

微納米顆粒的添加濃度和粒徑大小會對電解液的導(dǎo)電性和粘度造成影響，同時也會導(dǎo)致膜層微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。復(fù)合膜層的耐磨性與其顆粒含量和結(jié)合方式有關(guān)。Asgari等在AZ31鎂合金表面制備了不同Al2O3含量的復(fù)合膜層，并在摩擦磨損試驗中發(fā)現(xiàn)，當電解液中加入30g/L的納米Al2O3顆粒時，制備的復(fù)合膜層具有最小的比磨損率。然而，如果納米Al2O3顆粒含量過高，它們會在膜層表面團聚，導(dǎo)致磨粒磨損和粘著磨損的情況加劇。

Rehman等在AZ91D鎂合金表面制備了具有不同ZrO2含量的復(fù)合膜層，并研究了ZrO2含量對復(fù)合膜層表面形貌的影響。在摩擦過程中，ZrO2納米顆粒會從膜層表面脫落并進入孔洞中，這種自修復(fù)機制可以增加膜層與對磨鋼球之間的接觸面積，降低單位接觸面積的載荷，從而減少膜層的磨損。

Lu等在AM50鎂合金電解液體系中分別添加微米級和納米級的SiO2顆粒，研究不同SiO2顆粒粒徑對復(fù)合膜層摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，納米SiO2顆粒復(fù)合膜層的硬度值高達396±72 HV，遠大于微米SiO2顆粒復(fù)合膜層（338±74 HV）和單一微弧氧化膜層（327±72 HV）。

相較于上述微納米顆粒，添加WC顆粒并不能增加復(fù)合膜層的厚度。Nasiri Vatan等在AZ31B鎂合金電解液中添加納米WC顆粒制備的復(fù)合膜層，磨損率和摩擦系數(shù)分別較單一微弧氧化膜層降低77%和55%，主要原因是納米WC顆粒可以均勻分布在整個膜層中，提高膜層的致密度。

（二）直接復(fù)合減摩技術(shù)

將固體潤滑劑，如石墨、MoS2和PTFE等潤滑劑，加入鎂合金電解液中，制備自潤滑復(fù)合膜層已得到深入研究。當石墨顆粒沉積在微弧氧化膜層中時，雖然膜層硬度降低，但是摩擦系數(shù)卻顯著下降。Tonelli等通過在電解液中添加石墨微粒制備EV31A鎂合金復(fù)合膜層，干摩擦試驗（載荷5N、速率0.3m·s－1）中，單一微弧氧化膜層的磨痕深度可達55μm，而石墨復(fù)合膜層的磨痕深度不到50μm。

氧化石墨烯顆粒的加入可以增加電解液的導(dǎo)電率，有利于提高復(fù)合膜層的致密性和生長速度，提高厚度和顯微硬度。Zhang等研究了氧化石墨烯（GO）顆粒在電解液中的濃度對AZ31鎂合金復(fù)合膜層的影響時發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜層的厚度及硬度隨氧化石墨烯添加量的增加而不斷增大，在20 g·L－1時硬度值達到572.9 HV。

通過將固體潤滑劑MoS2引入微弧氧化涂層，可以增強涂層與基體的結(jié)合強度，摩擦過程中的切應(yīng)力和摩擦系數(shù)被顯著降低。Lou等人對添加MoS2復(fù)合膜層的摩擦學(xué)性能進行了對比分析。他們觀察到，單層微弧氧化膜的摩擦因數(shù)較高，容易導(dǎo)致涂層在承受載荷過程中產(chǎn)生脆性開裂，從而引發(fā)磨粒磨損，磨損量達到9.8×10－4mm3·N－1·m－1。然而，當添加了2.5g·L－1的MoS2后，復(fù)合涂層在摩擦過程中表現(xiàn)出較低的摩擦切應(yīng)力，僅為9.1×10－6mm3·N－1·m－1，這得益于MoS2的潤滑效果。

PTFE化學(xué)穩(wěn)定性高、老化壽命長、絕緣性能好疏水性強，尤其具有良好的潤滑性能。Gnedenkov等通過在AZ91鎂合金上原位嵌入聚四氟乙烯顆粒，制備了自潤滑微弧氧化復(fù)合膜層。在干摩擦磨損試驗過程中，復(fù)合膜層的摩擦系數(shù)僅為0.30，遠低于單一微弧氧化膜層的摩擦系數(shù)0.68。

二、微弧氧化二次復(fù)合技術(shù)

單層微弧氧化膜表面僅有火山口狀微孔和一些裂紋，表面粗糙度相對較大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)普遍較高，易造成涂層脆性斷裂引發(fā)磨粒磨損。單一微弧氧化膜層具有厚度較大、與基體結(jié)合力強、硬度較高和表面呈多孔狀結(jié)構(gòu)等特性，使得微弧氧化膜層適合與其他膜層結(jié)合制備復(fù)合膜層。將兩種或兩種以上的處理工藝方法用于同一工件表面，不僅可以發(fā)揮各自特點，更能顯示組合使用的突出效果。目前，微弧氧化二次復(fù)合處理技術(shù)一般通過改變膜層表面的組織結(jié)構(gòu)，對微缺陷進行消除或修復(fù)處理，以此提高耐磨減摩性能。例如，采用濺射技術(shù)，以微弧氧化膜層取代傳統(tǒng)的金屬過渡層，制備硬質(zhì)潤滑薄膜復(fù)合膜層；或采用化學(xué)鍍、電泳、噴涂和浸漬等技術(shù)，在微弧氧化膜層上制備固體潤滑膜層。

類金剛石膜層（DLC）具有硬度高、彈性模量大、摩擦系數(shù)低、耐磨性強以及優(yōu)良的真空摩擦學(xué)性能等特點。其表面平滑，與金屬表面結(jié)合良好，硬度高且耐摩擦，可以在苛刻的環(huán)境下使用楊巍等人采用線性離子束復(fù)合磁控濺射技術(shù)，在AZ80鎂合金微弧氧化膜層表面沉積了類金剛石膜，使得微弧氧化膜層在高脈沖能量作用下形成的放電微孔局部被表層DLC膜完全封閉，從而裸露出放電微孔的輪廓；復(fù)合膜層具有較高的納米顯微硬度和彈性模量（9.8GPa和9.1GPa），且在磨損過程中對應(yīng)的摩擦系數(shù)與磨痕寬度較小（0.15和157μm），該復(fù)合膜層提供了更高的承載能力，而DLC膜層具有自潤滑性能和抗磨損性能。

TiN是一種典型的硬質(zhì)涂層，在玻璃、不銹鋼刀具等表面得到了廣泛應(yīng)用。Cui等采用微弧氧化和物理氣相沉積復(fù)合技術(shù)在AZ31B鎂合金表面制備MAO/TiN復(fù)合膜層。沉積TiN膜層后，封閉了MAO膜層表面的微孔，并在表面出現(xiàn)大量的熔滴粒子；納米顯微硬度顯著增大13.6 GPa，而單一微弧氧化膜層僅為1.5 GPa；致密TiN膜層的形成降低了膜層的內(nèi)應(yīng)力，增強了復(fù)合膜層的耐磨性能。

Rapheal等在MRI 230D鎂合金微弧氧化膜層表面先噴涂Al2O3粉，再通過激光合金化處理，使微弧氧化膜層完全熔融分解，并與Al2O3生成結(jié)構(gòu)均一的復(fù)合膜層，消除了膜層中的孔隙和裂紋。復(fù)合膜層的膜層厚度明顯增加，摩擦系數(shù)也低于單一微弧氧化膜層，有一定的減摩效果，但硬度較低，耐磨性相對較差。

三、結(jié)語

總的來說，微弧氧化直接復(fù)合技術(shù)通過加入特定的微納米顆粒，可以增加膜層的致密度。這些顆粒中的潤滑相和硬質(zhì)相可以分別起到減少摩擦和增強耐磨性的作用；微弧氧化二次復(fù)合處理技術(shù)通過改變膜層表面的組織結(jié)構(gòu)，對微缺陷進行消除或修復(fù)處理，可以降低摩擦系數(shù)，并對摩擦副偶件形成保護，減輕磨損。由此可見，復(fù)合處理技術(shù)是改善微弧氧化膜層耐磨減摩性能的主要發(fā)展方向。未來的研究還要重點關(guān)注以下方面：

第一，對于微弧氧化直接復(fù)合技術(shù)，將多種不同性質(zhì)的微納米顆粒加入電解液中，可以賦予鎂合金微弧氧化復(fù)合膜層更加優(yōu)異和多樣化的減摩耐磨性能，這一研究方向值得進一步探索。

第二，鎂合金微弧氧化復(fù)合膜層在不同潤滑劑工況下的磨損、潤滑機制研究有待進一步加強。

第三，鎂合金微弧氧化復(fù)合膜層在高溫下的摩擦學(xué)性能有待深入研究。

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