铝合金表面强化技术研究现状及其发展趋势

谭 华，谭业发，何 龙，杨自双，董贵杨

（解放军理工大学 野战工程学院，江苏 南京 210007）

1 热喷涂技术

1.1 电弧喷涂

铝合金表面电弧喷涂强化是利用电弧熔化金属丝材，借助高压气体将金属熔滴雾化并喷向铝合金基体表面以形成耐磨抗蚀强化涂层。徐荣正［1］等研究了6061铝合金表面高纯铝涂层对其耐腐蚀性能的影响，涂层的腐蚀电位和腐蚀电流均高于铝合金基体，体现出良好的耐蚀性能。

1.2 等离子喷涂

等离子喷涂以等离子弧为热源，其温度可达104K，可使喷涂粉末得到足够热量，尤其对于熔点较高的陶瓷材料，具有更加优异的喷涂效果，可显著改善铝合金表面性能。卢果等在6063铝合金表面制备了等离子喷涂纳米Al2O3／TiO2和微米级Al2O3／TiO2陶瓷涂层。研究结果表明：纳米陶瓷涂层的硬度是微米陶瓷涂层的3.5倍；纳米陶瓷涂层的摩擦系数比微米陶瓷涂层下降了12.5%，磨损量仅为后者的60%，并且远低于铝合金基体。Sarikaya［2］等研究了B4C 颗粒的含量对等离子喷涂Al－Si／B4C 复合涂层性能的影响，复合涂层除了B4C外，还生成了Al2O3颗粒，且随着B4C 颗粒含量的增加，复合涂层的硬度随之增大，孔隙率和表面粗糙度降低。

1.3 高速火焰喷涂

高速火焰喷涂可使喷涂粉末获得极高的速度，粒子以更大的动能撞击基体表面，提高了涂层与基体的结合力，并可减少喷涂粉末的氧化和分解。如在铝合金表面制备WC／Co－NiCr 涂层，涂层硬度达818 HV200，孔隙率仅为0.43%。Magnani［3］等研究了氧气流量和送粉气流量对AA7050铝合金表面高速火焰喷涂WC－Co涂层的耐磨和耐蚀性能的影响，涂层磨损失重均较铝合金基体降低了10倍，摩擦系数都低于铝合金基体，强化效果显著。

任建平［4］等采用高速燃气喷涂技术在7075高强铝合金表面制备了WC－10Co／4Cr和WC－14Co涂层。结果表明：涂层中存在明显的WC峰和Co峰，而未出现强W2C峰，说明喷涂过程中WC并未发生严重的脱碳现象；盐雾试验600h后，7075铝合金和WC－14Co均发生严重腐蚀，而WC－10Co／4Cr耐蚀性最好。

2 表面镀覆技术

2.1 电镀

作为具有镀层结晶细致、平滑光亮和内应力较小等优点的表面强化方式，电镀在铝合金表面强化领域的应用十分广泛。但由于铝的电位较负，对氧的亲和力大，故铝合金在电镀前要经过化学浸锌、镀锌铜底层等特殊预处理，以提高镀层与基体的结合力。宋博等采用电镀电流密度为2.0mA／cm2～5.0mA／cm2，温度为8 ℃～25 ℃的电镀工艺参数，在铝合金表面制备了厚度为8μm～15μm 的镍镀层，镀镍层抗热震能力较强，有较高的结合强度。丁雨田［5］等在ZL108铝合金表面制备了Ni－SiC复合镀层，镀层厚度达80μm，硬度达504.6HV，分别是纯铝和纯镍的6倍和2倍。

2.2 电刷镀

电刷镀工艺设备简便、灵活，可实现铝合金零部件表面局部快速现场强化与抢修。唐义号等研究了电刷镀技术在直升机铝合金零件修复中的应用，在有磨损沟槽的铝合金零件表面刷镀一层特殊Ni＋n－Al2O3／Ni－Cr复合镀层，修复层硬度760HV，其磨损失重仅为8.5mg／h，远低于铝合金基体的磨损失重。黄元林等通过刷镀特殊镍过镀层，在ZL101铝合金上刷镀了厚度为100μm 的铜镀层，发现铜镀层和铸铝基体的显微硬度分别是230.6HV0.5和74.2HV0.5，摩擦磨损试验表明，镀层质量损失25.5mg，仅是基体磨损失重的1／3。

2.3 化学镀

目前应用最广泛的是化学镀Ni－P 合金以及在Ni－P合金基础上添加某些元素而制备功能性复合镀层。朱晓云等研究了化学镀Ni－P 合金在铝合金表面强化中的应用，镀液的主要成分为 NiSO4、NaH2PO2、络合剂、添加剂和稳定剂，可获得Ni－P化学镀层；在8种不同的腐蚀介质中，Ni－P合金的腐蚀速率都远低于1Cr18Ni9Ti不锈钢；热处理温度对Ni－P镀层的硬度和耐磨性有较大影响，热处理温度为400 ℃时，镀层硬度达1050 HV，高于阳极氧化膜的硬度，磨损失重降低至15mg。

刘燕萍以LY17铝合金为基体，在酸性镀液中进行（Ni－P）－PTFE 化学复合镀。与普通（Ni－P）合金相比，复合镀层与基体的结合强度更高，其静摩擦系数比Ni－P镀层降低0.44～0.52。

3 表面合金化技术

3.1 电火花沉积

电火花沉积强化是利用高能量密度的电能，通过电极材料与铝合金表面的火花放电作用，把耐磨耐蚀性优良的电极材料熔渗进铝合金表面，形成合金化表面沉积层，达到铝合金表面强化的目的。郭峰［6］等以TC4为电极材料，在LY12铝合金表面制备了钛铝合金强化层。该强化层厚度为30μm，主要由TiAl3、Ti3Al5和TiAl等金属间化合物相与TiN、TiO2和Al2O3等相组成，硬度达596 HV，强化层的磨损体积仅为基体的1／7。

为提高合金强化层的质量，将表面经过预处理的铝合金置于油液中，并将钨、钛等在油中电火花放电时容易被碳化的物质压结成形后作电极，从而对铝合金表面进行强化，形成高硬度高耐磨表面。蒋宝庆等采用液中电火花改质工艺，把一定比例的钨、石墨颗粒、聚乙烯醇压制成压粉体电极，在LC4铝合金表面制备了钨－碳改质层，其厚度为100μm，硬度高达1 700 HV，磨损失重仅为未经强化铝合金的24.5%，显著提高了铝合金表面耐磨性能。

3.2 激光表面合金化

激光能量集中，能使铝合金基体在极短的时间内达到熔化状态，使涂覆层合金元素与基体表面薄层熔化、混合而形成化学成分、物理状态和组织结构不同的新表层，从而提高基体表面的综合性能。李新［7］等采用激光表面合金化技术在ZL108表面制备了Ni／WC表面合金化涂层。研究表明：合金强化层除增强颗粒外，还生成了Al3Ni、AlNi3和Ni2Al等金属间化合物，与铝合金基体间呈冶金结合状态；强化层深度可达1.2mm，其硬度是基材的8 倍，耐磨性能显著提高。Chuang［8］等研究了温度对Al－Mg－Si系铝合金表面激光合金化层摩擦学性能的影响，强化层中形成了Al3Ni和Al3Ni2等金属间化合物，其摩擦系数和磨损失重低于铝合金基体，且强化层的临界滑动摩擦温度高于50 ℃，但当温度高于200 ℃后，由于热应力导致强化层耐磨性下降。

4 高能表面改性技术

4.1 微弧氧化

在铝合金表面产生微孔火花放电，从而形成高温、高压环境，使得铝合金表面氧化膜发生结构转变，所形成的氧化陶瓷膜硬度高、耐磨性好，是铝合金表面强化领域应用最为普遍的工艺之一。索相波［9］等利用微弧氧化技术在7A52装甲铝合金表面生成陶瓷层，结果表明陶瓷层物相组成主要为α－Al2O3和β－Al2O3，强化试样的表面硬度达21GPa，耐磨性是7A52铝合金的109倍。

4.2 激光冲击强化

利用激光冲击铝合金表面，通过表面微观结构的改变实现表面改性处理，可显著提高其力学性能。与传统喷丸强化相比，经激光冲击强化的零部件表面粗糙度明显降低，强化层厚度明显提高，是铝合金表面强化的有效方法。Zhang［10］等对LY12铝合金进行了激光冲击表面强化，强化层的最大压应力和最高显微硬度出现在其近表层，塑性变形层的深度约为2mm，经单次和三次冲击强化试样的疲劳寿命分别比未经处理者提高了131.4%和132.5%。

4.3 离子注入

离子注入不受基体与增强离子固溶度和扩散系数的影响，能够获得非平衡结构的特殊物质，显著提高基体的硬度和耐磨性。刘洪喜［11］等对铝合金进行离子渗氮强化，在强化层近表面形成了AlN 硬质相，获得的强化表面显微硬度达228 HV0.005，是未强化试样的1.4倍，且磨损失重降低了75%，同时还缓解了铝合金在摩擦过程中严重的粘着磨损。汤宝寅等在不同温度下对6061铝合金进行了氮、氧离子注入，氮与氢混合气体离子注入以及在氮气氛中钛或铝离子注入处理。结果表明：经氧离子注入处理的铝合金表面形成了较厚的Al2O3硬质层，延长了铝合金表面的耐磨性能；与单纯的氮离子注入相比，经氮／氢离子混合注入处理后，铝合金的表面硬度提高了3倍，摩擦系数由未注入时的0.2降至0.1；而经铝／钛注入处理的试样较未处理者耐磨性能提高了约5倍。

5 复合强化技术

利用两种或两种以上的表面强化方法对铝合金基体进行强化处理，能够克服单一强化方式的局限性，充分发挥各种表面强化技术的特点，实现优势互补，改善表面强化效果。运用镀覆层与热处理的复合强化工艺，在铝合金表面先后镀20μm～30μm 厚的锌、铜和铟，然后加热到150℃热扩散处理，可提高镀层与基体的结合强度，并具有良好的耐磨性。李恒等采用溶胶凝胶－热处理复合工艺在铝合金表面制备了纳米SiO2杂化涂层。采用纳米SiO2含量为0.1%、热处理温度为130 ℃制备的涂层，腐蚀电流密度最小，仅为3.613×10－7A／cm2，线性极化电阻和腐蚀电位均高于铝合金基体，提高了铝合金基体的耐腐蚀性。

袁晓敏等在铝合金表面利用真空镀膜技术制备CNTs／Ti／Al多层膜，然后利用激光照射而形成合金化层。结果表明：激光处理过程中有少量CNTs与Ti原子原位结合生成TiC 颗粒；激光功率增加时，复合层中TiC 含量亦随之增加，收到良好的强化效果。Gordani［12］等在Al－356 铝合金表面先化学镀Ni－P，然后用功率1kW 的脉冲激光器进行表面合金化，合金强化层的硬度明显提高（达940 HV），且与基体达到了冶金结合；在3.5NaCl%溶液中，强化层的自腐蚀电位和点蚀电位较未经激光处理的Ni－P 涂层分别提高了180mV 和350mV。

Tian等采用阳极氧化和离子注入复合强化技术，研究了镍离子注入对铝合金表面阳极膜耐腐蚀性能的影响。离子注入后的阳极膜表面形成了金属镍和NiO，镍离子能够注入到氧化铝陶瓷层中；强化层在酸和中性盐溶液中的容抗下降，阻抗值显著上升，其抗腐蚀能力增加。

6 结束语

基于铝合金表面强化技术及其应用现状，在未来的科研和应用中，可从以下几个方面开展深入研究：①深化纳米材料应用，从微观角度深入研究纳米强化层的强化机理，以优化其制备工艺，最大限度地发挥纳米技术在铝合金表面强化中的作用；②加强复合强化技术研究，对于复合强化机理、工艺参数优化等还需要进一步研究，如何确保不同工艺方法之间的相容性，更好地整合各种强化方法的优势，也是今后值得研究的重要课题；③加强表面强化新技术研发，提高表面强化质量和实现绿色强化，对现有表面强化技术进行改进和完善，实现无污染、低能耗、高效率的绿色强化，是未来研究的重要方向。

［1］ 徐荣正，宋刚，刘黎明.铝合金表面电弧喷涂铝涂层工艺与性能［J］.焊接学报，2008，29（6）：109－113.

［2］ Sarikaya O，Anik S，Aslanlar S，et al.Al－Si／B4C composite coatings on Al–Si substrate by plasma spray technique［J］.Materials and Design，2007，28：2443－2449.

［3］ Magnani M，Suegama P H，Espallargas N，et al.Influence of HVOF parameters on the corrosion and wear resistance of WC－Co coatings sprayed on AA7050 T7［J］.Surface ＆Coatings Technology，2008，202：4746－4757.

［4］ 任建平，刘敏，邓春明，等.铝合金表面活性燃烧高速燃体喷涂WC涂层的耐中性盐雾腐蚀性能［J］.机械工程材料，2009，33（3）：39－42.

［5］ 丁雨田，许广济，戴雷，等.铝合金表面电沉积Ni－SiC复合镀层的研究［J］.机械工程学报，2003，39（1）：128－132.

［6］ 郭峰，李平，苏勋家，等.LY12铝合金表面电火花强化层组织与性能研究［J］.材料工程，2010（1）：28－31.

［7］ 李新，刘卫，余先涛.ZL108 的激光表面合金化［J］.武汉理工大学学报，2006，28（4）：39－41.

［8］ Chuang Y C，Lee S C，Lin H C.Effect of temperature on the sliding wear behavior of laser surface alloyed Nibase on Al– Mg – Si alloy［J］.Applied Surface Science，2006，253：1404－1410.

［9］ 索相波，邱骥，张建辉.7A52铝合金表面微弧氧化陶瓷层摩擦学性能［J］.中国表面工程，2009，22（4）：61－65.

［10］ Zhang Y K，Lu J Z，Ren X D，et al.Effect of laser shock processing on the mechanical properties and fatigue lives of the turbojet engine blades manufactured by LY2 aluminum alloy ［J］.Materials and Design，2009，30：1697－1703.

［11］ 刘洪喜，王浪平，王小峰，等.LY12CZ 铝合金表面等离子浸没离子注入氮层的摩擦磨损性能研究［J］.摩擦学学报，2006，26（5）：417－421.

［12］ Gordani G R，Razavi R S，Hashemi S H，et al.Laser surface alloying of an electroless Ni– P coating with Al－356substrate［J］.Optics and Lasers in Engineering，2008，46：550－557.