譚 華，譚業(yè)發(fā)，何 龍，楊自雙，董貴楊

（解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007）

1 熱噴涂技術

1.1 電弧噴涂

鋁合金表面電弧噴涂強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化涂層。徐榮正［1］等研究了6061鋁合金表面高純鋁涂層對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104K，可使噴涂粉末得到足夠熱量，尤其對于熔點較高的陶瓷材料，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Al2O3／TiO2陶瓷涂層。研究結果表明：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比微米陶瓷涂層下降了12.5%，磨損量僅為后者的60%，并且遠低于鋁合金基體。Sarikaya［2］等研究了B4C 顆粒的含量對等離子噴涂Al－Si／B4C 復合涂層性能的影響，復合涂層除了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，粒子以更大的動能撞擊基體表面，提高了涂層與基體的結合力，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，摩擦系數都低于鋁合金基體，強化效果顯著。

任建平［4］等采用高速燃氣噴涂技術在7075高強鋁合金表面制備了WC－10Co／4Cr和WC－14Co涂層。結果表明：涂層中存在明顯的WC峰和Co峰，而未出現強W2C峰，說明噴涂過程中WC并未發(fā)生嚴重的脫碳現象；鹽霧試驗600h后，7075鋁合金和WC－14Co均發(fā)生嚴重腐蝕，而WC－10Co／4Cr耐蝕性最好。

2 表面鍍覆技術

2.1 電鍍

作為具有鍍層結晶細致、平滑光亮和內應力較小等優(yōu)點的表面強化方式，電鍍在鋁合金表面強化領域的應用十分廣泛。但由于鋁的電位較負，對氧的親和力大，故鋁合金在電鍍前要經過化學浸鋅、鍍鋅銅底層等特殊預處理，以提高鍍層與基體的結合力。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，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，有較高的結合強度。丁雨田［5］等在ZL108鋁合金表面制備了Ni－SiC復合鍍層，鍍層厚度達80μm，硬度達504.6HV，分別是純鋁和純鎳的6倍和2倍。

2.2 電刷鍍

電刷鍍工藝設備簡便、靈活，可實現鋁合金零部件表面局部快速現場強化與搶修。唐義號等研究了電刷鍍技術在直升機鋁合金零件修復中的應用，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復合鍍層，修復層硬度760HV，其磨損失重僅為8.5mg／h，遠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，摩擦磨損試驗表明，鍍層質量損失25.5mg，僅是基體磨損失重的1／3。

2.3 化學鍍

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

劉燕萍以LY17鋁合金為基體，在酸性鍍液中進行（Ni－P）－PTFE 化學復合鍍。與普通（Ni－P）合金相比，復合鍍層與基體的結合強度更高，其靜摩擦系數比Ni－P鍍層降低0.44～0.52。

3 表面合金化技術

3.1 電火花沉積

電火花沉積強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鋁合金表面，形成合金化表面沉積層，達到鋁合金表面強化的目的。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化層。該強化層厚度為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596 HV，強化層的磨損體積僅為基體的1／7。

為提高合金強化層的質量，將表面經過預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容易被碳化的物質壓結成形后作電極，從而對鋁合金表面進行強化，形成高硬度高耐磨表面。蔣寶慶等采用液中電火花改質工藝，把一定比例的鎢、石墨顆粒、聚乙烯醇壓制成壓粉體電極，在LC4鋁合金表面制備了鎢－碳改質層，其厚度為100μm，硬度高達1 700 HV，磨損失重僅為未經強化鋁合金的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間內達到熔化狀態(tài)，使涂覆層合金元素與基體表面薄層熔化、混合而形成化學成分、物理狀態(tài)和組織結構不同的新表層，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在ZL108表面制備了Ni／WC表面合金化涂層。研究表明：合金強化層除增強顆粒外，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合狀態(tài)；強化層深度可達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Al－Mg－Si系鋁合金表面激光合金化層摩擦學性能的影響，強化層中形成了Al3Ni和Al3Ni2等金屬間化合物，其摩擦系數和磨損失重低于鋁合金基體，且強化層的臨界滑動摩擦溫度高于50 ℃，但當溫度高于200 ℃后，由于熱應力導致強化層耐磨性下降。

4 高能表面改性技術

4.1 微弧氧化

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

4.2 激光沖擊強化

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

4.3 離子注入

離子注入不受基體與增強離子固溶度和擴散系數的影響，能夠獲得非平衡結構的特殊物質，顯著提高基體的硬度和耐磨性。劉洪喜［11］等對鋁合金進行離子滲氮強化，在強化層近表面形成了AlN 硬質相，獲得的強化表面顯微硬度達228 HV0.005，是未強化試樣的1.4倍，且磨損失重降低了75%，同時還緩解了鋁合金在摩擦過程中嚴重的粘著磨損。湯寶寅等在不同溫度下對6061鋁合金進行了氮、氧離子注入，氮與氫混合氣體離子注入以及在氮氣氛中鈦或鋁離子注入處理。結果表明：經氧離子注入處理的鋁合金表面形成了較厚的Al2O3硬質層，延長了鋁合金表面的耐磨性能；與單純的氮離子注入相比，經氮／氫離子混合注入處理后，鋁合金的表面硬度提高了3倍，摩擦系數由未注入時的0.2降至0.1；而經鋁／鈦注入處理的試樣較未處理者耐磨性能提高了約5倍。

5 復合強化技術

利用兩種或兩種以上的表面強化方法對鋁合金基體進行強化處理，能夠克服單一強化方式的局限性，充分發(fā)揮各種表面強化技術的特點，實現優(yōu)勢互補，改善表面強化效果。運用鍍覆層與熱處理的復合強化工藝，在鋁合金表面先后鍍20μm～30μm 厚的鋅、銅和銦，然后加熱到150℃熱擴散處理，可提高鍍層與基體的結合強度，并具有良好的耐磨性。李恒等采用溶膠凝膠－熱處理復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制備CNTs／Ti／Al多層膜，然后利用激光照射而形成合金化層。結果表明：激光處理過程中有少量CNTs與Ti原子原位結合生成TiC 顆粒；激光功率增加時，復合層中TiC 含量亦隨之增加，收到良好的強化效果。Gordani［12］等在Al－356 鋁合金表面先化學鍍Ni－P，然后用功率1kW 的脈沖激光器進行表面合金化，合金強化層的硬度明顯提高（達940 HV），且與基體達到了冶金結合；在3.5NaCl%溶液中，強化層的自腐蝕電位和點蝕電位較未經激光處理的Ni－P 涂層分別提高了180mV 和350mV。

Tian等采用陽極氧化和離子注入復合強化技術，研究了鎳離子注入對鋁合金表面陽極膜耐腐蝕性能的影響。離子注入后的陽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 結束語

基于鋁合金表面強化技術及其應用現狀，在未來的科研和應用中，可從以下幾個方面開展深入研究：①深化納米材料應用，從微觀角度深入研究納米強化層的強化機理，以優(yōu)化其制備工藝，最大限度地發(fā)揮納米技術在鋁合金表面強化中的作用；②加強復合強化技術研究，對于復合強化機理、工藝參數優(yōu)化等還需要進一步研究，如何確保不同工藝方法之間的相容性，更好地整合各種強化方法的優(yōu)勢，也是今后值得研究的重要課題；③加強表面強化新技術研發(fā)，提高表面強化質量和實現綠色強化，對現有表面強化技術進行改進和完善，實現無污染、低能耗、高效率的綠色強化，是未來研究的重要方向。

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