金属表面低温复合陶瓷化及相关制备系统研究

• 作 者: 李光
• 机 构: 中国科学院力学研究所
• 出 处: 中国科学院力学研究所
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 铝合金 表面低温陶瓷化 等离子体电解氧化 物理气相沉积

针对表面处理温度对金属基体性能影响较大的难题，本文引入金属表面低温陶瓷化概念，采用等离子体电解氧化(PEO)方法，在铝合金表面通过液态放电制备了Al2O3陶瓷层。针对PEO陶瓷层摩擦系数高的问题，提出了PEO与物理气相沉积(PVD)相结合的表面复合陶瓷化方法，在铝合金表面低温制备高承载力、低摩擦系数的Al2O3/DLC复合陶瓷层。同时，采用PVD/PEO方法可在钢表面获得Al/Al2O3陶瓷层，实现低温陶瓷化。本文研制的多功能离子镀膜系统，是金属表面低温复合陶瓷化关键装备。　　
铝合金低温PEO陶瓷化的结果表明：2024铝合金在Na2SiO3系电解液中进行PEO处理，陶瓷层硬度可达Hv1500以上。处理时间和负正电流比显著影响陶瓷层的致密性和硬度，处理时间越长，陶瓷层内层越致密；电流负正比越大，陶瓷层越薄，但致密层所占比例越高。YZL113压铸铝合金采用多聚磷酸钠系电解液进行PEO处理，可获得致密的陶瓷层，内层硬度超过Hv900，克服了基体中Si对陶瓷层致密性和硬度的不利影响。铝合金PEO处理后耐磨性显著提高，但与钢球对磨摩擦系数在0.7以上，对钢球造成极大的磨损，不适于在干摩擦环境中使用。　　
在多功能复合离子镀膜系统中，引入脉冲偏压和高压脉冲辉光放电技术，可通过调节占空比实现低温成膜，在特殊要求的情况下可不超过100℃；能够进行阴极弧、磁控溅射和高压脉冲辉光放电的多种工艺组合，在真空室内一次完成多层单质膜和多层复合膜的制备；系统中采用的电子式高频脉冲引弧装置，可自动识别主电源工作状态，熄弧瞬间快速重新引弧，且引弧时间间隔方便可调，有效防止熄弧引起的气压波动，保证镀膜过程的稳定。　　
通过PVD/PEO复合工艺在钢基体上实现了低温制备陶瓷层，其主要相结构为γ-Al2O3和α-Al2O3，纳米硬度和弹性模量分别为13.5GPa和190.2GPa，具有良好的载荷支撑和弹性回复()力。　　
采用真空阴极弧离子镀在Al/Al2O3涂层上低温沉积DLC膜，其结构受弧流和偏压影响较大，提高偏压和弧流，可造成DLC膜的石墨化。偏压35V、弧流60～70A时，可获得sp3C含量较多的DLC膜。与单一PEO陶瓷层相比，PEO与PVD复合方法制备的Al2O3/DLC陶瓷层，摩擦系数降低至0.2，显著减少了摩擦副的磨损。