摘要
铝合金作为应用广泛的轻质合金在轻量化和环保节能减排高压态势下得到了更大的需求市场。如何改善铝合金的摩擦学和耐高温性能是其在复杂苛刻环境下使用的前提条件。在铝合金表面制备符合苛刻环境使用需求的复合涂层来防护铝合金基体是一种有效的解决思路。机械球磨制备涂层是一种冷焊固相涂层制备技术，可将粉体材料直接涂覆于试样表面制备涂层。针对铝合金基体来说，该方法具有制备环境温度低、成分选取灵活和适用于管状内壁等优点。目前，对于机械球磨制备涂层的研究多偏向于制备强化涂层，并分析涂层扩散和抗氧化等性能；在自润滑复合涂层和强化涂层本身存在的缺陷方面研究较少。本文意图采用机械球磨方法在铝合金表面分别制备自润滑和强化涂层。一方面丰富机械球磨制备复合涂层相关研究；另一方面为铝合金表面制备涂层引入新的方法，期望铝合金在自润滑和高温应用方面有所突破。 本文采用机械球磨方法分别在ZL114A铝合金基体表面制备了Ni-Al-W、Ni-Al-Ta、Ni-Al-Ag和Ni-Al-ZrO2(Y2O3)复合涂层。采用硬质材料W粉和软质材料Ta粉分别制备了Ni-Al-W和Ni-Al-Ta复合涂层。对样品及球磨罐中剩余粉末进行退火处理，由各自成分中生成的Ni-Al金属间化合物类型推断出Al粘结剂经过球磨加工后涂层中的Al含量高于剩余粉末中的Al含量。两种涂层中生成的Ni-Al金属间化合物提高了涂层的硬度，导致涂层的抗磨性能优于铝合金基体，成功的对铝合金基体起到了防护作用。 为改善复合涂层自润滑问题，采用“载体运输”方式优化机械球磨法制备Ni-Al-Ag自润滑复合涂层。首先将Ni粉和Ag粉进行低速机械球磨，使得固体润滑剂Ag充分分散并与Ni粉冷焊在一起，然后加入铝合金基体和Al粉进行机械球磨制备涂层。研究表明，未经过预先球磨制备的复合涂层中存在大量的裂纹，低剪切力的固体润滑剂Ag在涂层中以条状形式存在，并且位于裂纹的延伸方向，裂纹的产生不利于涂层的制备及摩擦过程中连续润滑膜的形成。经过预先球磨制备的复合涂层致密，固体润滑剂Ag以颗粒状存在于涂层中，润滑剂的充分分散有效的抑制了裂纹的产生并且在摩擦过程中形成了一定量的连续润滑膜。预磨参数讨论方面，在预先球磨0h、6h、12h、18h和24h参数中，预先球磨18h制备的Ni-Al-Ag自润滑复合涂层在室温至350℃宽温域内具有最低的摩擦系数和磨损率(0.15～0.3,0.15～0.35×10-3mm3/Nm)，有效的起到了保护铝合金基体的作用，扩展了铝合金的使用温度范围。 为改善含陶瓷强化复合涂层凹凸不平现象，制备了机械球磨Ni-Al-ZrO2(Y2O3)表面电沉积Ni复合涂层。首先采用机械球磨方法在铝合金基体表面制备Ni-Al-ZrO2(Y2O3)复合涂层，然后在涂层表面电沉积Ni涂层。研究表明，电沉积的Ni涂层全部覆盖机械球磨涂层，其厚度大约为30μm；经过退火后电沉积涂层与机械球磨涂层间存在大约3μm的扩散层，该扩散层的生成为涂层之间的结合提供了保障。该方法成功的弥补了机械球磨制备含陶瓷复合涂层时由于陶瓷的脆性和与金属相容性差带来的涂层凹凸不平现象，成功的提高了复合涂层的有效使用厚度。最终制备的复合涂层在室温至500℃具有良好的抗磨性能，有效的起到了保护铝合金基体的作用，扩展了铝合金的使用温度范围。 基于上部分的研究，设计了机械球磨Ni-Al、激光织构与电沉积Ni复合涂层。经过退火处理后，铝合金基体、机械球磨涂层和电沉积涂层三者之间两两界面处均产生一定的扩散层。扩散层的形成有益于涂层的整体结构性能，金属间化合物的形成增加了涂层的抗磨性能。采用接枝技术对电沉积Ni基涂层进行了优化设计。首先将微量纳米粒子浸泡多巴胺溶液使其表面携带氨基基团，然后将表面带有氨基的纳米粒子与氧化石墨烯进行接枝连接；最后进行Ni基复合涂层电沉积，使得在电沉积Ni基含氧化石墨烯复合涂层过程中将纳米粒子携带进入复合涂层。研究表明，TiN和MoS2纳米粒子经过浸泡后表面的氨基分别与氧化石墨烯中的羧基连接，成功制备了Ni-GO-TiN和Ni-GO-MoS2的复合涂层。该设计成功地达到了纳米粒子微使用量前提下电沉积含纳米粒子的复合涂层。纳米粒子的充分分散使得电沉积复合涂层晶粒细化，从而使得复合涂层力学和抗磨性能得到提升。
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