馬圣林，張蓬予，朱新河，于洪飛，付景國，馬春生

基于微弧氧化技術耐磨減摩涂層的研究進展

馬圣林，張蓬予，朱新河，于洪飛，付景國，馬春生

（大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026）

輕金屬材料（鋁、鎂、鈦及其合金等）具有質輕、比強度高等優(yōu)良性能，被廣泛應用于航天航空、汽車電子、海洋工程等機械領域，但化學性質活潑易腐蝕、硬度低易磨損等性質限制了其使役壽命及使用范圍。為提升輕質材料表層界面的耐腐蝕性能和摩擦學性能，微弧氧化作為有效的表面強化技術得到了廣泛研究。對基于微弧氧化處理鋁、鎂、鈦及其合金表面，并采用復合技術制備耐磨、減摩復合涂層的研究現(xiàn)狀進行了一個系統(tǒng)的總結。將復合技術分為三類：第一類，前處理（機械預處理、預置膜層）+微弧氧化；第二類，微弧氧化直接復合技術（減摩復合、抗磨復合）；第三類，微弧氧化+后處理（拋光、重熔、固體潤滑涂層）。介紹了三類復合技術的制備工藝、注意事項，分析了其對運動摩擦副部件摩擦學性能的影響及優(yōu)化方向。最后，指出了微弧氧化陶瓷膜層在摩擦學應用領域所面臨的挑戰(zhàn)，并從陶瓷膜層結構設計制備、增強韌性、降低對基體疲勞性能的影響和摩擦潤滑機理等方面展望了其發(fā)展方向。

微弧氧化；復合技術；復合涂層；抗磨減摩

鋁、鎂、鈦及其合金因具有低密度、高比強度、高比剛度等優(yōu)點，在汽車、電子通信、航天航空、國防以及醫(yī)療器械等領域具有重要的應用價值和廣泛的應用前景[1-2]。然而，由于其自身的一些缺點，如表面硬度低、耐磨性差、耐腐蝕性差、高溫抗氧化能力差等，限制了其在摩擦學領域的應用范圍，摩擦磨損通常發(fā)生在表面層，通過合理的表面強化技術，可有效提高界面表層的減摩和耐磨性能[3-4]。目前常用的金屬表面處理技術一般分為兩類：（1）表面合金法（離子注入、滲氮、滲碳或碳氮共滲等）以及熱處理（火焰淬火、感應淬火、冷激鑄造等）改善金屬表面的化學成分和組織，但此類技術多應用于鋼鐵等黑色金屬；（2）表面涂覆法（熱噴涂、物理氣相沉積、化學氣相沉積、激光熔覆等）在金屬表面制備耐磨減摩涂層，但大多需要高溫氣氛環(huán)境且操作復雜，同時普遍存在涂層與金屬結合力低、基體承載能力有限等問題，易導致涂層在非均勻載荷下脫落失效的現(xiàn)象[5-12]。

微弧氧化（Microarc Oxidation，MAO）又稱等離子體電解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation, PEO），作為近年來發(fā)展起來的用于有色金屬表面強化改性的新技術，是一種在含特定離子的電解質水溶液中，利用微弧放電在鋁、鎂、鈦等有色金屬及其合金表面原位生長陶瓷氧化膜層的新技術，具有環(huán)保、簡單、經濟、高效等優(yōu)點[13-14]。研究表明，陶瓷膜層與基體為冶金結合方式，具有良好的結合強度，由內部致密層和外部疏松多孔層組成其典型結構，且一般具有較高的硬度，鋁合金微弧氧化陶瓷膜層以Al2O3為主相，硬度可達到800~2000HV；鎂合金微弧氧化陶瓷膜層以MgO為主相，硬度可達到300~600HV；鈦合金微弧氧化陶瓷膜層以TiO2為主相時，硬度可達到600~800HV[15]，陶瓷膜層由于硬度的提高，明顯改善了表面的耐磨性能。但陶瓷膜層固有的微弧放電通道、裂紋的存在，使得表面呈現(xiàn)疏松多孔結構，在干摩擦工況下表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)，摩擦學應用過程中，較高的摩擦系數(shù)不僅會加速自身的磨損失效，同時還會加劇對偶材料的磨損[16-18]，為解決這一問題，大多學者通過對電參數(shù)（正負向電壓、電流密度、占空比、頻率、氧化時間等）及電解液（組份、濃度等）的調控優(yōu)化，來完成對陶瓷膜層微觀結構及物相組成的設計制備，在一定程度上改善了陶瓷膜層的使役性能[19-25]。

隨著輕質合金在機械領域的快速擴展，為適應更加復雜苛刻的摩擦工況，微弧氧化復合其他技術進一步提高了材料的耐磨及減摩性能，對提升機械部件運行的可靠性和耐久性具有重要意義。為此，綜述了近年來國內外基于微弧氧化技術在鎂、鋁、鈦及其合金表面制備耐磨減摩涂層的復合技術，闡述了不同復合技術的制備方法，分析了復合涂層耐磨減摩的機制，并指出耐磨減摩復合涂層研究與開發(fā)中的不足之處和發(fā)展方向，以期人們對基于微弧氧化復合技術有一個全面的了解。

1 前處理+微弧氧化

微弧氧化陶瓷膜層的生長機理十分復雜，包括化學、電化學、高溫等離子體反應等理論，其形成機制除了受電解液及電參數(shù)的影響外，預處理通常也起著重要的作用。目前此類復合技術又可分為兩個方面：機械處理+MAO、預置膜層+MAO。此類技術一般是通過改變基體表面的組織結構或理化性質進而對微弧氧化過程產生影響，制備出特定結構組成的陶瓷膜層，主要對膜層的耐磨性能進行改善。

1.1 機械處理+微弧氧化

此類復合技術指通過機械加工方法（機械絎磨、機床沖壓、噴丸、激光等），改變基體的表面形貌、微觀組織結構后再進行微弧氧化，包括納米晶化、微溝槽、微織構等處理方式，具有操作簡單、有效和環(huán)保等特點。文磊等[26-27]通過機械研磨處理技術（Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT）在鋁合金表面制備表面納米化（Surface Nanocrystalling，SNC）過渡層，再通過微弧氧化對納米晶化過渡層進行微結構重構，制備出納米化-微弧氧化復合膜層（如圖1所示），摩擦磨損實驗中，在相同測試條件下，微弧氧化膜層被鋼球磨穿，而復合陶瓷膜層則沒有發(fā)生明顯破壞，分析認為納米化-微弧氧化復合膜層硬度的提高（從850HV升至970HV）以及更好的膜基結合性能（具有更好的抗拉伸破壞能力）是耐磨性提高的主要原因。LI等[28]通過激光織構技術（Laser Surface Texturing，LST）在鎂合金基體表面制備出微米紋理表面再微弧氧化（如圖2所示），結果表明，復合陶瓷膜層的孔隙率降低，表面粗糙度由1.89 μm降低到0.97 μm，且網(wǎng)狀紋理結構膜層的剝離率降低了68.6%，結合強度比空白膜層提高了35.7%，這也將極大地改善膜層的摩擦學性能。WANG等[29]通過高精度機械加工在鋁合金表面制備出梯形微槽再微弧氧化，結果表明，在無溝槽和溝槽樣品上制備陶瓷膜層的最高硬度分別為1327HV和1715HV，復合膜層約為無溝槽樣品的1.3倍，分析認為，這得益于膜層中硬質相α-Al2O3含量的提升，摩擦磨損實驗中溝槽底部陶瓷膜層中的Al2O3起到了主要的支撐作用，因此磨損率相對穩(wěn)定，磨損失效時間得到有效延長，顯著提高了復合膜層的耐磨性。WEI等[30]采用機械沖壓工藝在純鋁上加工微米級蜂窩孔后復合微弧氧化，結果表明，復合膜層厚度增加，最高硬度也由空白膜層的623HV升至756HV，摩擦磨損實驗表明，經磨合期后復合膜層的干摩擦系數(shù)約為0.4，相比空白組降低約11%且平穩(wěn)無波動，磨損表面大的微裂紋也較少，分析認為蜂窩結構對磨屑有一定的存儲功能，增強了膜層的耐磨性。

圖1 鋁合金表面納米化-微弧氧化復合涂層結構設計及制備工藝流程[27]

圖2 鎂合金表面LST進行MAO涂層的工藝原理圖[28]

機械處理+MAO復合處理后，陶瓷膜層一般具有更好的膜基結合強度、抗拉伸破壞能力及更高的膜層硬度，力學性能的綜合提升使得膜層更加耐磨，但由于基體表面微觀形貌的改變對微弧氧化過程中的放電通道特性、微孔分布等產生一定影響，容易導致復合陶瓷膜層表面粗糙度升高，進而產生磨損前期摩擦系數(shù)較高的不利影響。因此，對機械表面加工參數(shù)、精度的要求較高。

1.2 預置膜層+微弧氧化

此類復合技術是指微弧氧化之前通過濺射法、熱浸法、噴涂法等在基體表面制備金屬鍍層（Al、Ni）或預置高阻抗氧化膜，改變金屬基體表面的化學、組織狀態(tài)而后再微弧氧化制備陶瓷膜層。歐陽小琴等[31]通過磁控濺射技術先在鈦合金表面制備鋁的膜層再微弧氧化，研究表明，鈦合金直接微弧氧化陶瓷膜層的硬度為585HV，預置鋁膜之后，微弧氧化膜層的硬度達到1764HV，硬度提高了3.015倍，磨擦磨損實驗中，鍍鋁微弧氧化膜層與鈦合金微弧氧化膜層相比，摩擦系數(shù)從0.38降低到0.25，磨損體積由0.0574 mm3降低到0.0421 mm3，有效地改善了摩擦磨損性能。王曉波等[32]通過磁控濺射技術在鎂合金表面制備出鋁膜層再微弧氧化，研究了氧化終止電壓對鋁膜反應的影響，研究表明，當終止電壓為600 V時，鋁被完全氧化為Al2O3，表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)及磨損量。武媛[33]采用熱浸鋁技術預處理鈦合金基體形成涂鍍層，主要成分為TiAl3合金再微弧氧化，研究了氧化時間對復合膜層的影響，表明微弧氧化處理30 min時，膜層中出現(xiàn)TiAl2O5相，膜層硬度最大達到870HV，磨擦磨損實驗中，復合膜層的磨損量僅為基體的1/4，最小摩擦系數(shù)降低至0.25，這歸因于復合膜層硬度和致密性的提高。WANG等[34]通過熱浸鍍鋁技術在純鈦表面制備鋁涂層，結果表明外部為純鋁層，內部為Ti-Al擴散層，經微弧氧化后得到主要由α-Al2O3、γ-Al2O3、莫來石和未氧化鋁組成的陶瓷膜層，摩擦磨損實驗中，對比純鈦樣品和750 ℃下熱浸鍍鋁后再微弧氧化的樣品，相應的磨損體積分別為0.736 mm3和0.074 mm3，磨損量降低了一個數(shù)量級。而牛宗偉等[35]通過在鋁合金表面預置化學氧化膜及稀土氧化膜再微弧氧化，表明預置氧化膜后的陶瓷膜層硬度提高、粗糙度減小，其中稀土轉化膜的粗糙度最低約為1.9 μm，硬度最高約為1149HV，分析認為預置膜的存在使氧化過程更加平緩，且稀土元素Y的存在提升了穩(wěn)定相α-Al2O3的含量，有利于陶瓷膜層的耐磨性能。

預置鋁膜鍍層一般應用于鎂、鈦及其合金，因為鋁在鎂合金、鈦合金表面容易得到結合較好的過渡層，且經微弧氧化后氧化鋁比氧化鈦、氧化鎂具有更高的硬度。為進一步改善鎂、鈦及其合金的耐磨性能，在鎂、鈦及其合金表面預置鋁膜層后再微弧氧化得到了應用，但預置鋁膜的厚度及微弧氧化參數(shù)的控制對復合膜層的結構、組成影響較大，需綜合控制工藝參數(shù)才能達到較優(yōu)的耐磨性能。而預置氧化膜或轉化膜后再微弧氧化，是通過增加微弧氧化前期阻抗或減小基體材料中其他顆粒的不利影響，使氧化反應過程更加平緩或促進亞穩(wěn)定相向穩(wěn)定相的轉變，進而提高膜層質量，同樣這種復合技術也需要控制轉換膜的厚度等參數(shù)。

2 直接復合技術

通常，微弧氧化陶瓷膜層的性能主要受其微觀結構及物相組成的影響，通過電參數(shù)的調控可對膜層結構和性能進行一定優(yōu)化，但仍不可避免的是膜層具有較高孔隙率及有限的物相組成。研究表明，通過直接改進電解質的組成可以實現(xiàn)膜層孔隙率的降低和物相組成的豐富。直接復合技術是指在電解液中直接添加功能性微納米顆粒，反應過程中顆粒受電泳力、擴散、機械撞擊等作用被包覆進陶瓷膜層（如圖3所示），對膜層孔隙進行一定程度的填充并得到相應的物相組成[36]。針對不同性質的微納米顆粒又可分為兩類：添加潤滑性微納米顆粒，改善陶瓷膜層的減摩性能；添加高硬度微納米顆粒，改善陶瓷膜層的耐磨性能。

圖3 復合涂層形成原理[36]

2.1 直接復合減摩技術

直接復合技術用于改善微弧氧化陶瓷膜層的減摩性能，一般是指在電解液中添加具有自潤滑作用的微納米顆粒（石墨、石墨烯、BN、MoS2、PTFE等）再進行微弧氧化，制備出含有潤滑相的復合陶瓷膜層來降低摩擦系數(shù)。穆明等[37]通過在電解液中添加石墨微粒制備鈦合金復合潤滑陶瓷膜層，摩擦磨損實驗中，石墨復合膜層磨合期后的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.56，而空白陶瓷膜層的摩擦系數(shù)升至0.86，分析認為復合膜層中的石墨轉移到摩擦副表面形成一層潤滑膜，降低了摩擦系數(shù)。ZHANG等[38]在鎂鋰合金上制備含氧化石墨烯的復合潤滑陶瓷膜層，在200 ℃下進行的摩擦磨損實驗中，鎂鋰合金、無石墨烯膜層、含石墨烯陶瓷膜層的摩擦系數(shù)依次為0.64、0.21、0.12，分析認為這主要取決于含石墨烯膜層具有較低的粗糙度及表面存在的石墨烯潤滑相。魏國棟等[39]研究了納米BN的添加濃度對鋁合金復合陶瓷膜層摩擦學性能的影響，結果表明空白陶瓷膜層的摩擦系數(shù)較添加BN復合膜層的摩擦系數(shù)最大，約為0.8且不穩(wěn)定，當添加質量濃度為3 g/L時，摩擦系數(shù)達到最小，約為0.55。劉澤澤等[40]在ZL109鋁合金表面制備含MoS2的復合陶瓷膜層，摩擦實驗結果表明，在添加質量濃度為5 g/L時，復合膜層的摩擦系數(shù)最低，比空白陶瓷膜層降低了47%。CHEN等[41]在鎂合金表面制備含PTFE的復合陶瓷膜層，研究復合處理時間對膜層的影響，摩擦磨損實驗中，空白膜層的摩擦系數(shù)迅速增加至約0.64，而在含PTFE電解質溶液中反應5 min的復合陶瓷膜層表現(xiàn)出極低且穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，約0.08，分析認為復合膜層表面形成富含PTFE顆粒的脊狀凸起，在磨損時充當了潤滑劑存儲器的功能，PTFE轉移到摩擦表面形成了低剪切強度的膜層，進而降低了摩擦力。

2.2 直接復合耐磨技術

直接復合技術用于改善微弧氧化陶瓷膜層的耐磨性能，一般是指在電解液中添加具有高硬度的穩(wěn)定相陶瓷顆粒（TiC、Cr2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、SiO2等）再進行微弧氧化，通過提高膜層的硬度、致密性，以改善復合膜層的耐磨性能。李振偉等[42]在鋁合金表面制備含TiC微粒的復合膜層，2024鋁合金基體、微弧氧化膜層、復合陶瓷膜層的硬度依次約為153HV、480HV、827HV，磨損實驗中復合膜層與空白膜層相比，磨痕寬度由376 μm降低到117.6 μm，磨痕深度由8.5 μm降低到2.3 μm，磨損率僅為微弧氧化陶瓷膜層的1/12，表現(xiàn)出更好的耐磨性。杜楠等[43]在鈦合金表面制備出含Cr2O3微粒的復合膜層，載荷為10 N、磨損時間為20 min時，鈦合金基體的磨損量高達9.59 mg，陶瓷膜層的磨損量為0.85 mg，而復合膜層的磨損量又為普通微弧氧化陶瓷膜層的1/2，分析認為Cr2O3顆粒通過對膜層孔隙的填充、載荷的轉移及彌散作用，提高了復合膜層的耐磨性。程法嵩等[44]在鈦合金表面制備了不同ZrO2含量的復合陶瓷膜層，摩擦磨損實驗中發(fā)現(xiàn)，復合膜層中ZrO2含量為23.59%時具有最小的比磨損率，但當含量高于此值時，ZrO2會在膜層表面團聚，導致磨粒磨損和粘著磨損加劇，反而不利于膜層的耐磨性。于光宇等[45]在鋁合金表面制備出含SiC顆粒的復合膜層，摩擦磨損實驗中，SiC復合膜層具有較窄的磨痕寬度和較淺的磨痕深度，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，分析認為是SiC顆粒的加入提高了復合膜層的硬度（由1000HV升至1270HV）以及降低了摩擦副之間的瞬閃溫度，降低了粘著磨損發(fā)生的可能。

微弧氧化直接復合技術在電解液中引入潤滑或高硬度微納米顆粒，對微弧氧化反應過程中的電壓-電流響應特征曲線產生直接影響，這也將影響到微弧氧化反應進行的劇烈程度，伴隨著微弧氧化反應的進行，微納米顆粒參與了陶瓷膜層的生成，因此復合膜層被賦予了新的微觀結構和物相組成。微觀結構一般表現(xiàn)為孔隙裂紋減少并得到一定程度的填充、膜層更加致密以及“脊”狀凸起的出現(xiàn)，物相組成一般表現(xiàn)為膜層中豐富了特定的潤滑相或耐磨相，因此直接復合膜層的耐磨減摩性能得到了提高。但是，直接復合膜層最終的使役性能由所添加微納米顆粒的眾多性質共同決定，要考慮的因素主要包括：（1）添加微納米顆粒在電解液中的分散穩(wěn)定性，納米顆粒的團聚效應直接影響復合膜層的成膜質量，易造成復合膜層成分、厚度不均等現(xiàn)象。目前，多采用機械攪拌、超聲振蕩及表面改性來改善微納米顆粒在電解液中的分散穩(wěn)定性，其中改性劑多采用陰離子表面活性劑，使顆粒表面呈現(xiàn)較大的Zeta電位，改善分散的同時也增強了電泳力的作用，有利于顆粒進入陶瓷膜層；（2）添加微納米顆粒的濃度及粒度，這直接影響復合膜層中顆粒的含量及結合方式。濃度過小，顆粒在復合膜層中含量過低，不足以起到抗磨減摩作用；濃度過大，易造成顆粒在膜層中的團聚現(xiàn)象，結合強度減弱，反而不利于抗磨減摩性能的提升；而粒度的大小則影響其在復合膜層中的結合位置，較小粒徑的顆粒容易出現(xiàn)在放電孔道、裂紋等位置，而粒度較大的顆粒往往只在復合膜層表面具有較高的含量。

3 微弧氧化+后處理

通常，經微弧氧化后陶瓷膜層具有許多火山口狀微孔和少量的裂紋，干摩擦工況下具有較高的摩擦系數(shù)及磨損率。為改善其耐磨及減摩性能，對陶瓷膜層進行后處理是行之有效的方法。目前，對微弧氧化陶瓷膜層后處理的技術一般分為兩類：（1）通過改變陶瓷膜層表面的組織結構，對微缺陷進行消除或修復處理來提高其耐磨性；（2）利用陶瓷膜致密層作承載基底、表面孔隙作織構儲池來制備固體潤滑涂層，以提高其耐磨減摩性能。

3.1 微弧氧化+拋光、重熔

對微弧氧化陶瓷膜層進行后處理修復，主要是指對其表面組織缺陷（微孔、裂紋、微凸體等）進行消除或修復，以提高其耐磨性。目前常見的處理技術有研磨拋光、激光重熔等。王亞明等[46]通過研磨拋光處理鈦合金微弧氧化陶瓷膜層，移除掉最外面凸起陶瓷顆粒組成的疏松層，磨擦磨損實驗中，摩擦系數(shù)由0.7左右降低到0.2左右，表現(xiàn)出良好的減摩性能，同時也減輕了對摩擦副鋼球的破壞及磨損，分析認為表面粗糙度的減小及致密層金紅石型TiO2的存在是其主要原因。狄士春等[47]對鋁合金微弧氧化膜層激光重熔的行為進行了研究，結果表明，重熔處理后改變了膜層的微觀結構及相組成，由內向外依次為致密層、中間層、重熔層，消除了膜層中的孔隙和裂紋，致密性得到提高，其中中間層的存在保護了基體和致密層的組織。喻杰等[48]研究發(fā)現(xiàn)，鋁合金微弧氧化膜層激光重熔后的硬度可達到962.768HV，是未處理氧化膜層的2.3倍，分析認為重熔過程促進了高溫區(qū)域內熔融物γ-Al2O3向α-Al2O3的轉變以及疏松層向重熔致密層的轉變是其主要原因，高硬度穩(wěn)定相及膜層內聚力的提高將極大地改善膜層的耐磨性能。唐仕光等[49]研究發(fā)現(xiàn)激光重熔處理微弧氧化陶瓷膜層的功率存在一個臨界條件，小于此值時對膜層改善較小，大于此值時會引起膜層開裂甚至基體變形，而這些都不利于膜層性能的改善，研究表明當激光功率為150 W時，膜層的顯微硬度達到了最大值，摩擦磨損實驗中，微弧氧化處理后的鋁合金磨損量約為基體的1/151，激光重熔處理后，磨損量為基體的1/323，其耐磨性得到大幅提升。

通過高精度的研磨拋光處理技術移除掉微弧氧化陶瓷膜層的疏松層，使致密層具有更高的硬度、較低的粗糙度，具有工藝簡單、操作方便的特點，但陶瓷膜層的厚度減小較多。而通過激光重熔處理，在疏松膜層表面進行原位修復，同時促進重熔物向穩(wěn)定相轉變，可使膜層缺陷減少、更加致密、硬度更高，但需有足夠厚度的中間層對陶瓷致密層及基體起到保護作用，對激光功率的選擇、處理時間等要求較高。

3.2 微弧氧化+固體潤滑涂層

為改善金屬表層界面干摩擦狀態(tài)下的摩擦學性能，固體潤滑技術提供了很好的解決思路，一般指通過制備固體潤滑薄膜、表面涂層的方式進行復合，固體潤滑材料依靠材料本身特性或其轉移膜的低剪切力特性而具有優(yōu)良的減摩性能。微弧氧化內部致密層具有較高的硬度，可作為載荷的承載基底，表面多孔結構也為構建高結合性能涂層提供了良好的基質界面，因此基于微弧氧化陶瓷膜層制備固體潤滑涂層具有眾多優(yōu)勢。目前，在微弧氧化陶瓷膜層的基礎上制備固體潤滑涂層主要包括兩個方面：（1）采用濺射技術，以陶瓷膜層取代傳統(tǒng)的金屬過渡層（如Ti、Cr），來制備硬質潤滑薄膜復合涂層，常見的濺射復合涂層有MAO/DLC、MAO/CrN、MAO/TiN等；（2）采用拋涂、噴涂、浸漬、電泳等技術，以陶瓷膜致密層作承載基底、疏松多孔結構作織構儲池，制備低剪切力的固體潤滑表面涂層，常用的固體潤滑劑有石墨、二硫化鉬、二硫化鎢、PTFE等。

針對第一類硬質固體潤滑薄膜，ARSLAN等[50]通過磁控濺射技術在鎂合金表面制備出MAO/DLC復合涂層，研究表明復合膜層的硬度為微弧氧化膜層的2.5倍，并具有較低的摩擦系數(shù)，在600 s時間內穩(wěn)定在0.1左右，分析認為復合膜層提供了更高的承載能力且DLC膜層具有自潤滑性能。王遠等[51]通過磁控濺射技術在鋁合金表面制備出Al2O3/CrN復合膜層，摩擦磨損實驗表明，Al2O3/CrN復合膜層的摩擦系數(shù)和磨損率都小于相同實驗參數(shù)下的Al2O3涂層，表明在Al2O3涂層表面沉積CrN膜能明顯改善其摩擦磨損特性，并可延長對偶件的使用壽命。

針對第二類低剪切力固體潤滑涂層，胡漢軍等[52]通過噴涂粘結在鈦合金微弧氧化膜層表面制備PTFE復合涂層，研究表明復合涂層在輕載、中載及重載工況下均表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學性能，具有更低的摩擦系數(shù)、極長的磨損壽命，分析認為，微弧氧化陶瓷膜層具有“波峰”與“波谷”交替存在的波狀多孔形貌，其中“波峰”與孔壁起到了承載和耐磨損的作用，“波谷”與微孔起到了存儲潤滑劑和提供轉移膜的作用，兩者具有耐磨-減摩的協(xié)同作用。LI等[53]通過浸漬技術在鋁合金微弧氧化膜層表面制備石蠟復合涂層，與空白氧化膜層相比，具有較低的摩擦系數(shù)和磨損率，分析認為，熔融石蠟有效地填充了陶瓷膜層的微孔及裂紋，摩擦過程中起到了潤滑作用。MA等[54]通過電泳沉積技術（Electrophoresis Deposition，EPD）在鋁合金微弧氧化陶瓷膜層上制備MoS2復合涂層（如圖4所示），實驗結果表明，復合涂層的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.45左右，比空白膜層降低約36%，同時與之對磨的缸套材料展現(xiàn)出了極低的磨損量，MAO/EPD復合涂層具有優(yōu)異的抗磨損和自潤滑性能，分析認為，這是耐磨陶瓷膜層和分布于微孔結構中MoS2顆粒共同作用的結果。QIN等[55]通過激光織構技術在鈦合金表面制備較大的凹坑陣列結合微弧氧化技術制備陶瓷膜層，然后采用拋涂技術在膜層表面制備MoS2復合涂層，研究表明，固體潤滑復合膜層表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)，約為0.28，同時LST/PEO/MoS2涂層比PEO/MoS2涂層表現(xiàn)出更久的潤滑壽命，分析認為存儲于放電通道和紋理化凹坑中的MoS2被持續(xù)提供到摩擦界面，形成了長期的自潤滑效果。與此同時，還有許多具有環(huán)境自適應的固體潤滑表面涂層被設計使用。QIN等[56]在鈦合金表面設計出具有變溫環(huán)境自適應的PEO/Ag/MoS2復合潤滑涂層，研究表明PEO/Ag/MoS2涂層在寬溫度范圍（RT-600 ℃）下具有較低的摩擦系數(shù)（0.1~ 0.2），優(yōu)于PEO、PEO/MoS2和PEO/Ag涂層；在室溫和中溫（350 ℃）下，MoS2和Ag薄膜可提供長期自潤滑效果；在高溫（600 ℃）下，保留在凹坑中的Ag可以連續(xù)地擴散到滑動表面并提供潤滑，同時發(fā)現(xiàn)擴散的Ag與MoS2之間發(fā)生了氧化反應，生成了作為高溫潤滑劑的Ag2MoO4。LIU等[57]通過簡單拋涂工藝在鋁合金表面設計制備出變濕度環(huán)境自適應的PEO/(MoS2/Sb2O3/C)復合固體潤滑涂層，摩擦磨損實驗在干燥氮氣和潮濕空氣中進行，復合涂層均表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學性能，分析認為石墨可在潮濕環(huán)境中充當潤滑劑、MoS2可在干燥的氮氣環(huán)境中充當潤滑劑，同時Sb2O3可作為MoS2有效地支持層降低其摩擦氧化，所以摩擦學性能的提升歸因于單組份的性質及各物質間的協(xié)同作用。

圖4 MAO+EPD摩擦磨損示意圖[54]

基于微弧氧化陶瓷膜層制備固體潤滑復合涂層，在載荷力的作用下低剪切力固體潤滑劑被不斷地轉移到摩擦界面，形成連續(xù)均勻的潤滑膜，大幅度提高了材料的減摩性能，同時也有效地保護了運動摩擦副對磨偶件，降低了其磨損失效的概率。但以下幾點還是需要被著重考慮：（1）微弧氧化陶瓷膜致密層厚度的控制，內部致密層作為載荷的主要承載層必須具有一定厚度，否則復合涂層不能承受較高的壓應力而會產生斷裂、剝離失效的現(xiàn)象；（2）微弧氧化陶瓷膜層表面形貌的調控，“波峰”和“波谷”的地形構造、放電微孔和裂紋的存在能提升復合涂層的結合強度，同時“波谷”和孔隙作為儲池也能增加固體潤滑劑的含量，但上述結構的存在也造成了膜層疏松，加劇了犁削作用，易造成對磨件的擦傷，同時在高剪切應力下易發(fā)生脫落失效的現(xiàn)象，造成磨粒磨損；（3）固體潤滑涂層的組份及制備工藝選擇，固體潤滑劑組份的選擇決定了其對環(huán)境變化的自適應能力，而制備工藝則決定了復合涂層的磨損壽命問題，如何提高固體潤滑涂層的使用范圍以及延長使用壽命是考慮的重點。

4 結語

從當前的研究結果可以看出，基于微弧氧化處理鋁、鎂、鈦及其合金表面，并采用復合技術制備耐磨、減摩復合涂層，可有效改善運動摩擦副部件中的摩擦學性能。各類復合技術具有不同的技術特點，其中機械處理+MAO可有效改善膜基結合強度和抗拉伸破壞能力，預置鋁層+MAO一般應用于鎂、鈦及其合金，使膜層具有更高的硬度，所以力學性能的綜合提升是使得前處理+MAO具有更好抗磨損性能的關鍵因素；微弧氧化直接復合技術中，功能性微納米顆粒的加入，豐富了陶瓷膜層中的物相組成并使膜層更加致密，潤滑相和硬質相較好地承擔了減摩、抗磨的作用；MAO+拋光、重熔，對膜層表面的缺陷進行移除或修復使其具有更高的硬度和較小的粗糙度，有效減輕了摩擦前期的磨損量以及摩擦系數(shù)的波動；MAO+固體潤滑涂層中，致密層作為硬質承載基底、表面孔隙及加工織構作為潤滑劑的儲池，隨著摩擦副運動，潤滑劑不斷地補充到摩擦界面形成連續(xù)潤滑薄膜，有效地降低了摩擦系數(shù)，并且對摩擦副偶件形成保護，減輕了磨損。因此，復合技術是改善微弧氧化陶瓷膜層耐磨、減摩性能的主要發(fā)展方向。

盡管如此，隨著輕質合金在摩擦學應用領域的迅速擴展，其微弧氧化陶瓷膜層的摩擦學研究仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，其未來的研究重點還需要關注以下幾點：

1）微弧氧化陶瓷膜層微觀結構的設計制備。如何通過電參數(shù)、電解液的組合優(yōu)化來控制陶瓷膜層的厚度及致密層的比例，明確微弧氧化過程-陶瓷膜層結構-性能的關系，以適應不同摩擦工況下的要求。

2）微弧氧化陶瓷膜層的增韌處理。足夠的韌性可以預防由于表面缺陷或疲勞裂紋產生的剝離和斷裂，微弧氧化膜層以陶瓷氧化物為主，具有較高強度，但韌性較差，如何提高膜層的韌性將成為抗磨損的關鍵。

3）微弧氧化膜層金屬基體疲勞性能的提升。微弧氧化陶瓷膜層的微觀結構、內應力和厚度等因素會導致基體材料疲勞性能降低[58]，如何改善基體疲勞性能是延長微弧氧化工件在交變載荷下使役壽命的關鍵。

4）微弧氧化陶瓷膜層摩擦及潤滑機理的研究。對微弧氧化陶瓷膜層的摩擦學性能研究目前多集中在無潤滑工況，且很少涉及膜層磨損失效機理的研究。膜層與不同摩擦副以及不同潤滑劑工況下的磨損、潤滑機制研究有待進一步加強。

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Research Progress of Wear-resistant Antifriction Coating Based on Micro-arc Oxidation Technology

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(School of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Light metal materials (aluminum, magnesium, titanium and their alloys) are widely used in aerospace, automotive electronics, marine engineering and other mechanical fields due to their excellent properties such as light weight, high specific strength, etc. However, their service life and use range are limited because of lively chemical properties, easy corrosion, low hardness and easy wear. In order to improve the corrosion resistance and tribological properties of the surface interface of lightweight materials, micro-arc oxidation has been widely used as an effective surface strengthening technology. The research status of micro-arc oxidation treatment on the surface of aluminum, magnesium, titanium and their alloys, and the use of composite technology to prepare wear-resistant and anti-friction composite coatings were summarized systematically. The composite technology was divided into three categories: the first was pre-treatment (mechanical pretreatment, preset film layer) + micro-arc oxidation; the second was micro-arc oxidation direct composite technology (friction reduction composite, anti-wear composite); and the third was micro-arc oxidation + post-treatment (polishing, remelting, solid lubricating surface coating). The preparation technology and precautions of three kinds of composite technologies were introduced. The influence on tribological performance of moving friction pair parts and its optimization direction were analyzed. Finally, the challenges of micro-arc oxidation ceramic coatings in the field of tribology were pointed out, and its development direction was prospected from the aspects of ceramic film structure design and preparation, strengthening of toughness, reduction of impact on the fatigue performance of the substrate, and friction lubrication mechanism.

micro-arc oxidation; composite technologies; composite coating; anti-wear and anti-friction

2019-11-19；

2020-01-15

MA Sheng-lin (1992—), Male, Master, Research focus: surface modification of light metal materials.

朱新河（1964—），男，博士，教授，主要研究方向為金屬學及金屬工藝。郵箱：xinhe@dlmu.edu.cn

Corresponding author：ZHU Xin-he (1964—), Male, Doctor, Professor, Research focus: metallography and metalworking. E-mail: xinhe@dlmu.edu.cn

馬圣林, 張蓬予, 朱新河, 等.基于微弧氧化技術耐磨減摩涂層的研究進展[J]. 表面技術, 2020, 49(6): 104-113.

TG174.4

A

1001-3660(2020)06-0104-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.012

2019-11-19；

2020-01-15

馬圣林（1992—），男，碩士，主要研究方向為輕金屬材料表面改性。

MA Sheng-lin, ZHANG Peng-yu, ZHU Xin-he, et al. Research progress of wear-resistant antifriction coating based on micro-arc oxidation technology[J]. Surface technology, 2020, 49(6): 104-113.