鋁合金表面強(qiáng)化技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

譚 華，譚業(yè)發(fā)，何 龍，楊自雙，董貴楊

（解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

1 熱噴涂技術(shù)

1.1 電弧噴涂

鋁合金表面電弧噴涂強(qiáng)化是利用電弧熔化金屬絲材，借助高壓氣體將金屬熔滴霧化并噴向鋁合金基體表面以形成耐磨抗蝕強(qiáng)化涂層。徐榮正［1］等研究了6061鋁合金表面高純鋁涂層對(duì)其耐腐蝕性能的影響，涂層的腐蝕電位和腐蝕電流均高于鋁合金基體，體現(xiàn)出良好的耐蝕性能。

1.2 等離子噴涂

等離子噴涂以等離子弧為熱源，其溫度可達(dá)104K，可使噴涂粉末得到足夠熱量，尤其對(duì)于熔點(diǎn)較高的陶瓷材料，具有更加優(yōu)異的噴涂效果，可顯著改善鋁合金表面性能。盧果等在6063鋁合金表面制備了等離子噴涂納米Al2O3／TiO2和微米級(jí)Al2O3／TiO2陶瓷涂層。研究結(jié)果表明：納米陶瓷涂層的硬度是微米陶瓷涂層的3.5倍；納米陶瓷涂層的摩擦系數(shù)比微米陶瓷涂層下降了12.5%，磨損量?jī)H為后者的60%，并且遠(yuǎn)低于鋁合金基體。Sarikaya［2］等研究了B4C 顆粒的含量對(duì)等離子噴涂Al－Si／B4C 復(fù)合涂層性能的影響，復(fù)合涂層除了B4C外，還生成了Al2O3顆粒，且隨著B4C 顆粒含量的增加，復(fù)合涂層的硬度隨之增大，孔隙率和表面粗糙度降低。

1.3 高速火焰噴涂

高速火焰噴涂可使噴涂粉末獲得極高的速度，粒子以更大的動(dòng)能撞擊基體表面，提高了涂層與基體的結(jié)合力，并可減少噴涂粉末的氧化和分解。如在鋁合金表面制備WC／Co－NiCr 涂層，涂層硬度達(dá)818 HV200，孔隙率僅為0.43%。Magnani［3］等研究了氧氣流量和送粉氣流量對(duì)AA7050鋁合金表面高速火焰噴涂WC－Co涂層的耐磨和耐蝕性能的影響，涂層磨損失重均較鋁合金基體降低了10倍，摩擦系數(shù)都低于鋁合金基體，強(qiáng)化效果顯著。

任建平［4］等采用高速燃?xì)鈬娡考夹g(shù)在7075高強(qiáng)鋁合金表面制備了WC－10Co／4Cr和WC－14Co涂層。結(jié)果表明：涂層中存在明顯的WC峰和Co峰，而未出現(xiàn)強(qiáng)W2C峰，說明噴涂過程中WC并未發(fā)生嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象；鹽霧試驗(yàn)600h后，7075鋁合金和WC－14Co均發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，而WC－10Co／4Cr耐蝕性最好。

2 表面鍍覆技術(shù)

2.1 電鍍

作為具有鍍層結(jié)晶細(xì)致、平滑光亮和內(nèi)應(yīng)力較小等優(yōu)點(diǎn)的表面強(qiáng)化方式，電鍍?cè)阡X合金表面強(qiáng)化領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。但由于鋁的電位較負(fù)，對(duì)氧的親和力大，故鋁合金在電鍍前要經(jīng)過化學(xué)浸鋅、鍍鋅銅底層等特殊預(yù)處理，以提高鍍層與基體的結(jié)合力。宋博等采用電鍍電流密度為2.0mA／cm2～5.0mA／cm2，溫度為8 ℃～25 ℃的電鍍工藝參數(shù)，在鋁合金表面制備了厚度為8μm～15μm 的鎳鍍層，鍍鎳層抗熱震能力較強(qiáng)，有較高的結(jié)合強(qiáng)度。丁雨田［5］等在ZL108鋁合金表面制備了Ni－SiC復(fù)合鍍層，鍍層厚度達(dá)80μm，硬度達(dá)504.6HV，分別是純鋁和純鎳的6倍和2倍。

2.2 電刷鍍

電刷鍍工藝設(shè)備簡(jiǎn)便、靈活，可實(shí)現(xiàn)鋁合金零部件表面局部快速現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)化與搶修。唐義號(hào)等研究了電刷鍍技術(shù)在直升機(jī)鋁合金零件修復(fù)中的應(yīng)用，在有磨損溝槽的鋁合金零件表面刷鍍一層特殊Ni＋n－Al2O3／Ni－Cr復(fù)合鍍層，修復(fù)層硬度760HV，其磨損失重僅為8.5mg／h，遠(yuǎn)低于鋁合金基體的磨損失重。黃元林等通過刷鍍特殊鎳過鍍層，在ZL101鋁合金上刷鍍了厚度為100μm 的銅鍍層，發(fā)現(xiàn)銅鍍層和鑄鋁基體的顯微硬度分別是230.6HV0.5和74.2HV0.5，摩擦磨損試驗(yàn)表明，鍍層質(zhì)量損失25.5mg，僅是基體磨損失重的1／3。

2.3 化學(xué)鍍

目前應(yīng)用最廣泛的是化學(xué)鍍Ni－P 合金以及在Ni－P合金基礎(chǔ)上添加某些元素而制備功能性復(fù)合鍍層。朱曉云等研究了化學(xué)鍍Ni－P 合金在鋁合金表面強(qiáng)化中的應(yīng)用，鍍液的主要成分為 NiSO4、NaH2PO2、絡(luò)合劑、添加劑和穩(wěn)定劑，可獲得Ni－P化學(xué)鍍層；在8種不同的腐蝕介質(zhì)中，Ni－P合金的腐蝕速率都遠(yuǎn)低于1Cr18Ni9Ti不銹鋼；熱處理溫度對(duì)Ni－P鍍層的硬度和耐磨性有較大影響，熱處理溫度為400 ℃時(shí)，鍍層硬度達(dá)1050 HV，高于陽(yáng)極氧化膜的硬度，磨損失重降低至15mg。

劉燕萍以LY17鋁合金為基體，在酸性鍍液中進(jìn)行（Ni－P）－PTFE 化學(xué)復(fù)合鍍。與普通（Ni－P）合金相比，復(fù)合鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度更高，其靜摩擦系數(shù)比Ni－P鍍層降低0.44～0.52。

3 表面合金化技術(shù)

3.1 電火花沉積

電火花沉積強(qiáng)化是利用高能量密度的電能，通過電極材料與鋁合金表面的火花放電作用，把耐磨耐蝕性優(yōu)良的電極材料熔滲進(jìn)鋁合金表面，形成合金化表面沉積層，達(dá)到鋁合金表面強(qiáng)化的目的。郭峰［6］等以TC4為電極材料，在LY12鋁合金表面制備了鈦鋁合金強(qiáng)化層。該強(qiáng)化層厚度為30μm，主要由TiAl3、Ti3Al5和TiAl等金屬間化合物相與TiN、TiO2和Al2O3等相組成，硬度達(dá)596 HV，強(qiáng)化層的磨損體積僅為基體的1／7。

為提高合金強(qiáng)化層的質(zhì)量，將表面經(jīng)過預(yù)處理的鋁合金置于油液中，并將鎢、鈦等在油中電火花放電時(shí)容易被碳化的物質(zhì)壓結(jié)成形后作電極，從而對(duì)鋁合金表面進(jìn)行強(qiáng)化，形成高硬度高耐磨表面。蔣寶慶等采用液中電火花改質(zhì)工藝，把一定比例的鎢、石墨顆粒、聚乙烯醇?jí)褐瞥蓧悍垠w電極，在LC4鋁合金表面制備了鎢－碳改質(zhì)層，其厚度為100μm，硬度高達(dá)1 700 HV，磨損失重僅為未經(jīng)強(qiáng)化鋁合金的24.5%，顯著提高了鋁合金表面耐磨性能。

3.2 激光表面合金化

激光能量集中，能使鋁合金基體在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到熔化狀態(tài)，使涂覆層合金元素與基體表面薄層熔化、混合而形成化學(xué)成分、物理狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)不同的新表層，從而提高基體表面的綜合性能。李新［7］等采用激光表面合金化技術(shù)在ZL108表面制備了Ni／WC表面合金化涂層。研究表明：合金強(qiáng)化層除增強(qiáng)顆粒外，還生成了Al3Ni、AlNi3和Ni2Al等金屬間化合物，與鋁合金基體間呈冶金結(jié)合狀態(tài)；強(qiáng)化層深度可達(dá)1.2mm，其硬度是基材的8 倍，耐磨性能顯著提高。Chuang［8］等研究了溫度對(duì)Al－Mg－Si系鋁合金表面激光合金化層摩擦學(xué)性能的影響，強(qiáng)化層中形成了Al3Ni和Al3Ni2等金屬間化合物，其摩擦系數(shù)和磨損失重低于鋁合金基體，且強(qiáng)化層的臨界滑動(dòng)摩擦溫度高于50 ℃，但當(dāng)溫度高于200 ℃后，由于熱應(yīng)力導(dǎo)致強(qiáng)化層耐磨性下降。

4 高能表面改性技術(shù)

4.1 微弧氧化

在鋁合金表面產(chǎn)生微孔火花放電，從而形成高溫、高壓環(huán)境，使得鋁合金表面氧化膜發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，所形成的氧化陶瓷膜硬度高、耐磨性好，是鋁合金表面強(qiáng)化領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍的工藝之一。索相波［9］等利用微弧氧化技術(shù)在7A52裝甲鋁合金表面生成陶瓷層，結(jié)果表明陶瓷層物相組成主要為α－Al2O3和β－Al2O3，強(qiáng)化試樣的表面硬度達(dá)21GPa，耐磨性是7A52鋁合金的109倍。

4.2 激光沖擊強(qiáng)化

利用激光沖擊鋁合金表面，通過表面微觀結(jié)構(gòu)的改變實(shí)現(xiàn)表面改性處理，可顯著提高其力學(xué)性能。與傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化相比，經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的零部件表面粗糙度明顯降低，強(qiáng)化層厚度明顯提高，是鋁合金表面強(qiáng)化的有效方法。Zhang［10］等對(duì)LY12鋁合金進(jìn)行了激光沖擊表面強(qiáng)化，強(qiáng)化層的最大壓應(yīng)力和最高顯微硬度出現(xiàn)在其近表層，塑性變形層的深度約為2mm，經(jīng)單次和三次沖擊強(qiáng)化試樣的疲勞壽命分別比未經(jīng)處理者提高了131.4%和132.5%。

4.3 離子注入

離子注入不受基體與增強(qiáng)離子固溶度和擴(kuò)散系數(shù)的影響，能夠獲得非平衡結(jié)構(gòu)的特殊物質(zhì)，顯著提高基體的硬度和耐磨性。劉洪喜［11］等對(duì)鋁合金進(jìn)行離子滲氮強(qiáng)化，在強(qiáng)化層近表面形成了AlN 硬質(zhì)相，獲得的強(qiáng)化表面顯微硬度達(dá)228 HV0.005，是未強(qiáng)化試樣的1.4倍，且磨損失重降低了75%，同時(shí)還緩解了鋁合金在摩擦過程中嚴(yán)重的粘著磨損。湯寶寅等在不同溫度下對(duì)6061鋁合金進(jìn)行了氮、氧離子注入，氮與氫混合氣體離子注入以及在氮?dú)夥罩锈伝蜾X離子注入處理。結(jié)果表明：經(jīng)氧離子注入處理的鋁合金表面形成了較厚的Al2O3硬質(zhì)層，延長(zhǎng)了鋁合金表面的耐磨性能；與單純的氮離子注入相比，經(jīng)氮／氫離子混合注入處理后，鋁合金的表面硬度提高了3倍，摩擦系數(shù)由未注入時(shí)的0.2降至0.1；而經(jīng)鋁／鈦?zhàn)⑷胩幚淼脑嚇虞^未處理者耐磨性能提高了約5倍。

5 復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)

利用兩種或兩種以上的表面強(qiáng)化方法對(duì)鋁合金基體進(jìn)行強(qiáng)化處理，能夠克服單一強(qiáng)化方式的局限性，充分發(fā)揮各種表面強(qiáng)化技術(shù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，改善表面強(qiáng)化效果。運(yùn)用鍍覆層與熱處理的復(fù)合強(qiáng)化工藝，在鋁合金表面先后鍍20μm～30μm 厚的鋅、銅和銦，然后加熱到150℃熱擴(kuò)散處理，可提高鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，并具有良好的耐磨性。李恒等采用溶膠凝膠－熱處理復(fù)合工藝在鋁合金表面制備了納米SiO2雜化涂層。采用納米SiO2含量為0.1%、熱處理溫度為130 ℃制備的涂層，腐蝕電流密度最小，僅為3.613×10－7A／cm2，線性極化電阻和腐蝕電位均高于鋁合金基體，提高了鋁合金基體的耐腐蝕性。

袁曉敏等在鋁合金表面利用真空鍍膜技術(shù)制備CNTs／Ti／Al多層膜，然后利用激光照射而形成合金化層。結(jié)果表明：激光處理過程中有少量CNTs與Ti原子原位結(jié)合生成TiC 顆粒；激光功率增加時(shí)，復(fù)合層中TiC 含量亦隨之增加，收到良好的強(qiáng)化效果。Gordani［12］等在Al－356 鋁合金表面先化學(xué)鍍Ni－P，然后用功率1kW 的脈沖激光器進(jìn)行表面合金化，合金強(qiáng)化層的硬度明顯提高（達(dá)940 HV），且與基體達(dá)到了冶金結(jié)合；在3.5NaCl%溶液中，強(qiáng)化層的自腐蝕電位和點(diǎn)蝕電位較未經(jīng)激光處理的Ni－P 涂層分別提高了180mV 和350mV。

Tian等采用陽(yáng)極氧化和離子注入復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)，研究了鎳離子注入對(duì)鋁合金表面陽(yáng)極膜耐腐蝕性能的影響。離子注入后的陽(yáng)極膜表面形成了金屬鎳和NiO，鎳離子能夠注入到氧化鋁陶瓷層中；強(qiáng)化層在酸和中性鹽溶液中的容抗下降，阻抗值顯著上升，其抗腐蝕能力增加。

6 結(jié)束語

基于鋁合金表面強(qiáng)化技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀，在未來的科研和應(yīng)用中，可從以下幾個(gè)方面開展深入研究：①深化納米材料應(yīng)用，從微觀角度深入研究納米強(qiáng)化層的強(qiáng)化機(jī)理，以優(yōu)化其制備工藝，最大限度地發(fā)揮納米技術(shù)在鋁合金表面強(qiáng)化中的作用；②加強(qiáng)復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)研究，對(duì)于復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理、工藝參數(shù)優(yōu)化等還需要進(jìn)一步研究，如何確保不同工藝方法之間的相容性，更好地整合各種強(qiáng)化方法的優(yōu)勢(shì)，也是今后值得研究的重要課題；③加強(qiáng)表面強(qiáng)化新技術(shù)研發(fā)，提高表面強(qiáng)化質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)綠色強(qiáng)化，對(duì)現(xiàn)有表面強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和完善，實(shí)現(xiàn)無污染、低能耗、高效率的綠色強(qiáng)化，是未來研究的重要方向。

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