CN118028936A - 一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，属于表面改性技术领域，包括：S1、机械打磨、抛光；除油清洗干燥；S2、测定表面晶体取向，确定膜层生长速率；S3、通过微弧氧化制备涂层：以碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为阳极，石墨片作为阴极；电解液温度控制在40℃以内，配方为：磷酸钠20‑40 g/L，硅酸钠5‑10 g/L,钨酸钠3‑6 g/L；微弧氧化参数：电压450‑550V，占空比为5%，赫兹400‑600Hz，时间由膜层生长速率确定。本方法可形成孔隙率相对较均匀且小的硬质陶瓷相涂层，确保材料满足全服役周期的安全可靠性要求。

Description

一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法。

背景技术

碳化硅增强铝基复合材料是将碳化硅颗粒作为增强相，铝合金为基体，采用粉末冶金的方法制备，经过挤压成型，热处理制造而成。碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有质量轻、高比强度、高比模量、低热膨胀系数等突出的优点，是当今新材料研究领域的热点之一，并应用在航天、航空、车辆、光学精密装置、以及电子工业等众多领域。

目前航空、航天、车辆、轨道交通等领域对材料服役性能的要求逐渐提高，尤其是耐摩擦磨损性能。摩擦磨损作为普遍存在的自然现象，对于存在相对运动的机械结构而言，摩擦通常将造成能量利用效率的降低，而磨损是结构损坏或报废的主要原因。虽然碳化硅增强铝基复材的高比模量和高比强度成为工业轻量化设计的首选，但在面对越来越复杂服役环境和工况条件，尤其是摩擦磨损等极端服役工况，单一的碳化硅颗粒增强铝基复合材料并不能满足使役性能要求，因此需要通过表面处理或表面改性方法来进一步提升其耐磨减摩特性。

专利CN109913686A提供了一种表面改性SiC增强铝基复材及其制备方法，通过CVI法在碳泡沫基体上沉积SiC后经氧化法、PIP法得到SiC多孔陶瓷，然后通过激光烧结得到SiC多孔晶须，最后高压浸渗入铝合金基体得到表面改性SiC增强铝基复材；专利CN106190024B提供了一种摩擦片材料及其制备方法，骨架为SiC增强铝基复材，摩擦层为多纤维增强的高分子复合材料。专利CN114507893A提供一种在铝合金基体上形成的微弧氧化陶瓷膜，包含底部过渡层、中间致密层和表面致密层。专利CN102154673B提供了一种铝合金表面制备环保型微弧氧化膜方法，依次通过除油清洗、水洗、铝合金微弧氧化、封闭处理和干燥，制备环保黑色陶瓷氧化膜。专利CN101608332B中提出一种铝合金表面制备微弧氧化薄膜的方法，采用恒定电流对铝合金基体进行氧化处理，在采用正负双向脉冲电压对铝合金基体继续进行氧化处理，氧化处理时间30~180min。专利CN200710063630.3中提出一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的表面处理方法，采用频率为50Hz的不对称正弦交流电源，对浸在电解液中的含SiC陶瓷颗粒体积比为5~40%的颗粒增强铝基复材施加电压，制备陶瓷膜致密均匀、显微硬度高，显著提高碳化硅颗粒增强铝基复材的耐腐蚀性和耐磨性。

但是，上述方法主要是针对铝合金基体适用的微弧氧化膜制备工艺方法，对碳化硅颗粒增强铝基复材适用性较差，且缺乏适用于不同尺寸SiC颗粒的微弧氧化膜以满足低速重载工况（接触应力≥1300MPa）下对碳化硅颗粒增强铝基复材的耐磨+减摩性能要求，同时不同材料表面的母相晶体结构不同会造成氧化膜的生长速度不同。因此，需要进一步改进微弧氧化工艺对SiC铝基复材适用性。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中碳化硅颗粒增强铝基复合材料耐磨性能差的问题，提出了一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，通过本方法可形成孔隙率相对较均匀且小的硬质陶瓷相涂层，确保材料满足全服役周期的安全可靠性要求。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、机械打磨、抛光；除油清洗干燥；

S2、测定表面晶体取向，确定膜层生长速率；

S3、通过微弧氧化制备涂层：

以碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为阳极，石墨片作为阴极；

电解液温度控制在40℃以内，配方为：磷酸钠 20-40 g/L，硅酸钠 5-10 g/L, 钨酸钠 3-6 g/L；

微弧氧化参数：电压450-550V，占空比为5%，赫兹400-600Hz，时间由膜层生长速率确定。

进一步的，还包括：

S4、表面后处理：将微弧氧化处理后的成品放入乙醇中超声清洗，清洗后使用冷风吹干，涂覆石墨烯润滑脂。

进一步的，机械打磨、抛光后，需满足碳化硅颗粒增强铝基复合材料的表面与心部具有相当的碳化硅颗粒体积分数40%~50%。

进一步的，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的基体为6082铝合金和2009铝合金，碳化硅颗粒的体积分数在40%-50%，碳化硅颗粒平均直径范围在3~5µm。

进一步的，除油清洗干燥步骤包括：将机械打磨、抛光过后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，依次在丙酮和乙醇中分别超声，去除油污和杂质；超声完成之后使用冷风吹干备用。

进一步的，测定表面晶体取向包括：获取碳化硅颗粒增强铝基复合材料防护表面法向的平均晶体取向[uvw]_f，计算其与铝合金基体fcc结构的最低界面法向[111]_f能夹角δ，基于对[111]f晶面微弧氧化膜生长速率v₁，根据需要控制的氧化层厚度D确定时间t，t=D/(cosδv₁)。

进一步的，碳化硅颗粒增强铝基复合材料中，增强体的体积分数为40％-50％。

进一步的，微弧氧化获取的涂层表面微孔直径为3~5µm。

进一步的，所述石墨烯润滑脂的分油率≤3.0%，摩擦系数≤0.15，锥入度200-300。

综上所述，本发明具有以下优点：

1）本发明操作步骤简单且耗时少，通过本发明步骤可以获得耐摩擦磨损性能优异的碳化硅增强铝基复材微弧氧化涂层；

2）本发明对微弧氧化处理中的参数控制中，占空比大小决定了单位时间内微弧氧化的有效放电时间，对微弧氧化反应形成的陶瓷层表面形貌具有重要的影响，在特定的电解液和参数下可得到具有许多与增强相颗粒尺寸相当的微孔，同时SiC颗粒在微弧放电区发生微区熔融，较短的微弧氧化时间可以使SiC以较小尺寸残留在微弧氧化涂层中，一方面可以作为异质颗粒进一步提高微弧氧化涂层硬度，改善涂层摩擦磨损性能，另一方面微孔结构具备储存润滑脂的作用，显著降低摩擦系数的同时，有利于润滑脂在微孔通道内贮存，实现自修复润滑的功能。

附图说明

图1为SiC增强铝基复材微弧氧化涂层制备及考核工艺流程。

图2为碳化硅颗粒增强铝基复合材料经微弧氧化处理后表面的扫描电镜照片；

图3为碳化硅颗粒增强铝基复合材料的平均摩擦系数；

图4为碳化硅颗粒增强铝基复合材料磨痕的三维形貌图；

图5为碳化硅颗粒增强铝基复合材料磨痕的二维横截面形貌图；

图6为碳化硅颗粒增强铝基复合材料经微弧氧化后的平均摩擦系数；

图7为碳化硅颗粒增强铝基复合材料经微弧氧化后磨痕的三维形貌图；

图8为碳化硅颗粒增强铝基复合材料经微弧氧化后磨痕的二维横截面形貌图。

图9为碳化硅颗粒增强铝基复合材料经微弧氧化+脂润滑后的平均摩擦系数；

图10为碳化硅颗粒增强铝基复合材料经微弧氧化+脂润滑后磨痕的三维形貌图；

图11为碳化硅颗粒增强铝基复合材料经微弧氧化+脂润滑后磨痕的二维横截面形貌图；

图12为碳化硅颗粒增强铝基复合材料的磨损率示意图；

图13为碳化硅颗粒增强铝基复合材料经微弧氧化后的磨损率示意图；

图14为碳化硅颗粒增强铝基复合材料经微弧氧化+脂润滑后的磨损率示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

为了解决由于碳化硅颗粒增强铝基复合材料因力学性能不足以抵抗接触表面切向力而容易磨损的缺点，形成孔隙率相对较均匀且小的硬质陶瓷相涂层，确保材料满足全服役周期的安全可靠性要求，本发明提供了一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，包括以下步骤：

S1、机械打磨抛光。

将碳化硅颗粒增强铝基复合材料依次使用400#，600#，800#，1000#，2000#砂纸进行打磨，然后进行抛光处理。处理后需满足碳化硅颗粒增强铝基复合材料的表面与心部具有相当的碳化硅颗粒体积分数40%~50%。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料中，增强体的体积分数为40％-50％。

S2、除油清洗干燥。

将机械打磨抛光过后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，依次在丙酮和乙醇中分别超声10分钟，去除油污和杂质。超声完成之后使用冷风吹干备用。

S3、表面晶体取向测定。

通过XRD等手段获取碳化硅颗粒增强铝基复合材料防护表面法向的平均晶体取向[uvw]f，计算其与铝合金基体fcc结构的最低界面法向[111]f能夹角δ，通过晶体学取向精准控制膜层生长速率：

；

S4、涂层制备。配置电解液。

电解液的温度控制在40℃以内，其配方为：磷酸钠 20-40 g/L，硅酸钠 5-10 g/L,钨酸钠 3-6 g/L。将处理好备用的碳化硅颗粒增强铝基复合材料放入上述的电解液中。以碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为阳极，石墨片作为阴极，循环冷却水保证电解液的温度低于40°。

微弧氧化参数：电压为450-550V，占空比为5%，赫兹为400-600Hz。

铝基复合材料中碳化硅增强颗粒的平均直径d，选取合适的微弧氧化参数，基于对[111]f晶面微弧氧化膜生长速率v1，氧化层厚度D控制在15-20µm，在控制氧化层厚度的同时，可以控制氧化层表面的微孔尺寸，主要目的是为了形成与碳化硅增强颗粒直径相当的火山微孔，具体时间可以通过生长速率来确定：

t=D/(cosδv₁)；

通过本步骤获取的微弧氧化涂层表面微孔直径与SiC增强颗粒尺寸相当，在3~5µm。前述微弧氧化参数是微弧氧化涂层制备的关键参数，占空比大小决定了单位时间内微弧氧化的有效放电时间，对微弧氧化反应形成的陶瓷层表面形貌具有重要的影响，在特定的电解液和参数下可得到如图2所示的“火山口”形貌，即具有许多与增强相颗粒尺寸相当的微孔，同时SiC颗粒在微弧放电区发生微区熔融，较短的微弧氧化时间可以使SiC以较小尺寸残留在微弧氧化涂层中，一方面可以作为异质颗粒进一步提高微弧氧化涂层硬度，改善涂层摩擦磨损性能，另一方面微孔结构具备储存润滑脂的作用，显著降低摩擦系数的同时，有利于润滑脂在微孔通道内贮存，实现自修复润滑的功能。

本实施例中，电解液在经过5次微弧氧化后，需重新配电解液。

S5、表面后处理。

将微弧氧化处理后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料放入乙醇中超声清洗10min，清洗后使用冷风吹干，涂覆石墨烯润滑脂。

本步骤中，涂覆的石墨烯润滑脂分油率≤3.0%，摩擦系数≤0.15，锥入度200-300（0.1mm）。适配微弧氧化层表面微孔结构需要选取合适的润滑脂，通过分油率、摩擦系数、锥入度可以最优地匹配硬质微弧氧化层，可以最大限度的提升耐磨性能。

经过上述步骤得到的成品通过摩擦磨损实验进行测试：

通过Hertz接触理论计算接触应力，将微弧氧化处理后的成品进行往复摩擦实验考核，然后使用白光干涉仪对磨损进行测试。往复摩擦实验参数为：实验温度为20-25°，载荷为5-50 N，频率为2-6 Hz，接触应力满足≥1300MPa的要求。以下实施例中的摩擦磨损数据也由此得到。

实施例1

下面通过具体的参数来说明本发明一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法。

本实施例的碳化硅颗粒增强铝基复合材料中，碳化硅颗粒的体积分数为15%，基体为2009铝合金。碳化硅增强铝基复材的摩擦系数如图3所示。从图中可以得出，摩擦系数先急剧上升至0.8，然后稳定在0.59左右，且波动较大，不稳定。摩擦后磨痕的三维形貌及断面的二维形貌分别如图4和图5所示，可以发现碳化硅增强铝基复材的磨痕深度大且较宽，通过二维形貌可知，磨痕宽度大概有1.6 mm，磨痕深度有120 µm左右，通过计算磨损率为0.7×10^-4mm³/N·m，如图12所示。

通过微弧氧化提高碳化硅颗粒增强铝基复合材料摩擦学性能的方法是按下述步骤进行的：

S1、将碳化硅颗粒增强铝基复合材料依次使用400#，600#，800#，1000#，2000#砂纸进行打磨，然后进行抛光处理。

S2、将打磨和抛光处理后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行打孔处理，圆孔的直径为3mm。

S3、将打孔过后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，在丙酮和乙醇中分别超声10分钟，去除油污和杂质。超声完成之后使用冷风吹干备用。

S4、表面晶体取向测定。通过XRD等手段获取碳化硅颗粒增强铝基复合材料防护表面法向的平均晶体取向[1 1.1 2]_f，计算其与铝合金基体fcc结构的最低界面法向[111]_f能夹角δ，目的是通过晶体学取向精准控制膜层生长速率：

cosδ=0.95；

S4、配置电解液，电解液的配方为：磷酸钠 30 g/L，硅酸钠 10 g/L, 钨酸钠 5 g/L。

S5、将处理好备用的碳化硅颗粒增强铝基复合材料放入步骤S3所述的电解液中。以碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为阳极，石墨片作为阴极，循环冷却水保证电解液的温度低于40°。

微弧氧化参数：电压为500 V，占空比为5%，赫兹为450 Hz。基于对[111]_f晶面微弧氧化膜生长速率v₁，微弧氧化膜生长初期生长速率与时间呈线性关系，经测试v₁=1.12t，t为时间，氧化层厚度D控制在16µm，在控制氧化层厚度的同时，可以控制氧化层表面的微孔尺寸，主要目的是为了形成与碳化硅增强颗粒直径相当的火山微孔。

具体时间可以通过生长速率来确定t=15min。

如图2所示为一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料经微弧氧化处理后的表面形貌，该表面表现出“火山口”形貌，具有许多微孔。微弧氧化层厚度为16µm，通过维氏硬度计测量微弧氧化涂层的硬度。通过对五次数据进行平均，可算得微弧氧化涂层的维氏硬度为533.32 HV。通过划痕仪测定SiC增强铝基复材微弧氧化涂层的结合力为12 N。

图6是经过微弧氧化15 min处理的碳化硅增强铝基复材的摩擦曲线。在往复摩擦开始阶段，当循环次数约500时，摩擦系数急剧上升至0.4左右；随着循环次数的增加，摩擦系数逐渐趋于平稳，在0.37左右。经过微弧氧化15 min处理的碳化硅增强铝基复材摩擦后的磨痕三维形貌及二维轮廓如图7和图8所示。可以发现最大磨损深度达50 μm，通过计算磨损率为2.875 ×10^-5mm³/N·m，如图13所示。

实施例2

在实施例1的基础上，进一步的，本实施例中的方法进一步的包括以下步骤：

S6、表面后处理。将微弧氧化处理后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料放入乙醇中超声清洗10 min，清洗后使用冷风吹干，表面涂覆含有锂基石墨烯润滑脂石墨烯润滑脂，分油率≤2.0%，锥入度280-290（0.1mm）。

S7、将微弧氧化处理后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料使用往复摩擦进行摩擦实验，以直径为6mm的GCr15钢球为对偶球，在大气环境进行测试。其他参数为：实验载荷60N，摩擦实验运行1万次循环周期，位移幅值为2.5mm。通过计算Hertz接触应力为1357MPa＞1300MPa，满足低速重载下的大接触应力工况，接然后使用白光干涉仪对磨损进行测试。

图9是经过本方法的微弧氧化+润滑脂处理的碳化硅颗粒增强铝基复材的摩擦曲线。在往复摩擦开始阶段，当循环次数约500时，摩擦系数急剧上升至0.15左右；随着循环次数的增加，摩擦系数逐渐趋于平稳，在0.12左右。经过微弧氧化15 min处理+润滑脂的碳化硅增强铝基复材摩擦后的磨痕三维形貌及二维轮廓如图10和11所示。磨粒磨损轻微，磨损深度很低，为5 μm，小于微弧氧化层的厚度，通过计算磨损率为2.5×10^-7mm³/N·m，如图14所示。

对比微弧氧化处理前后的碳化硅增强铝基复合材料的摩擦系数，发现经上述微弧氧化处理后，摩擦系数从0.59降到0.37，复合具有自修复功能的石墨烯润滑脂后，摩擦系数降低至0.12。此外，微弧氧化层+润滑脂使其磨损深度从120 µm降至5 μm，磨损率从0.7×10^-4mm³/N·m降至2.5 ×10^-7mm³/N·m。与SiC基体直接干摩擦相比，经本方法制备微弧氧化层+润滑脂的摩擦表面没有明显磨损，证明在该润滑条件下磨损较轻微，且重复性较好。表明本表面防护方法可以明显提高碳化硅增强铝基复合材料在低速重载工况下大接触应力的减摩耐磨性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、机械打磨、抛光；除油清洗干燥；

S2、测定表面晶体取向，确定膜层生长速率；

S3、通过微弧氧化制备涂层：

以碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为阳极，石墨片作为阴极；

电解液温度控制在40℃以内，配方为：磷酸钠 20-40 g/L，硅酸钠 5-10 g/L, 钨酸钠3-6 g/L；

微弧氧化参数：电压450-550V，占空比为5%，赫兹400-600Hz，时间由膜层生长速率确定。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，其特征在于，还包括：

S4、表面后处理：将微弧氧化处理后的成品放入乙醇中超声清洗，清洗后使用冷风吹干，涂覆石墨烯润滑脂。

3.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，其特征在于，机械打磨、抛光后，需满足碳化硅颗粒增强铝基复合材料的表面与心部具有相当的碳化硅颗粒体积分数40%~50%。

4.根据权利要求1或3所述的一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，其特征在于，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的基体为6082铝合金和2009铝合金，碳化硅颗粒的体积分数在40%-50%，碳化硅颗粒平均直径范围在3~5µm。

5.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，其特征在于，除油清洗干燥步骤包括：将机械打磨、抛光过后的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，依次在丙酮和乙醇中分别超声，去除油污和杂质；超声完成之后使用冷风吹干备用。

6.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，其特征在于，测定表面晶体取向包括：获取碳化硅颗粒增强铝基复合材料防护表面法向的平均晶体取向[uvw]_f，计算其与铝合金基体fcc结构的最低界面法向[111]_f能夹角δ，基于对[111]f晶面微弧氧化膜生长速率v₁，根据需要控制的氧化层厚度D确定时间t，t=D/(cosδv₁)。

7.根据权利要求4所述的一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，其特征在于，碳化硅颗粒增强铝基复合材料中，增强体的体积分数为40％-50％。

8.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，其特征在于，微弧氧化获取的涂层表面微孔直径为3~5µm。

9.根据权利要求2所述的一种碳化硅增强铝基复合材料摩擦学性能提升方法，其特征在于，所述石墨烯润滑脂的分油率≤3.0%，摩擦系数≤0.15，锥入度200-300。