在HPDC AlSi12Cu1(Fe)合金表面原位形成Sr?SiO?复合PEO涂层，以提高耐磨性和能源效率

《Surface and Coatings Technology》：In-situ formation of Sr?SiO? composite PEO coatings on HPDC AlSi12Cu1(Fe) alloy for enhanced wear resistance and energy efficiency

等离子电解氧化和硬阳极化处理对HPDC AlSi12Cu1(Fe)合金表面性能的影响研究。通过比较铸造态和磨削后表面处理，发现添加锶铝酸盐颗粒的PEO涂层（PEOp）能降低23%能量消耗，增强耐磨性，形成Sr?SiO?新相并减少孔隙率。

　　在现代工业制造中，铝合金因其轻质、高强度以及良好的加工性能而被广泛应用。特别是在需要重量减轻和材料回收优势的领域，如汽车、航空航天和电子设备制造中，铝合金成为关键材料之一。然而，由于铸造过程中固有的缺陷，如表面粗糙度高、微观结构不均匀以及元素偏析，这些合金在使用过程中容易出现腐蚀和磨损问题。因此，改善铝合金表面性能成为提升其使用寿命和应用价值的重要研究方向。近年来，表面处理技术，如硬质阳极氧化（Hard Anodizing, HA）和等离子体电解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation, PEO）被广泛用于提高铝合金的耐腐蚀性和耐磨性。本文研究了这些技术在HPDC（高压铸造）AlSi12Cu1(Fe)合金上的应用效果，特别关注初始表面状态对涂层性能的影响。

### 初始表面状态对涂层性能的影响

研究发现，初始表面状态对HA涂层的影响尤为显著。在进行HA处理时，铸态表面由于存在较多的表面缺陷和不均匀的微观结构，会导致涂层的生长速度、厚度和表面粗糙度发生变化。相比之下，PEO和PEOp（含有SrAl?O?颗粒的PEO涂层）则表现出更为稳定的性能。这一差异可能与HA和PEO在处理机制上的不同有关。HA是一种传统的阳极氧化工艺，通常在较高的电流密度、酸浓度和较低的电解液温度下进行，以形成更厚、更硬的氧化层。而PEO则依赖于微弧放电现象，通过高电压促使电解液中的金属离子在基体表面沉积，形成具有优异机械性能的陶瓷涂层。

为了更深入地了解不同初始表面状态对涂层性能的影响，研究者对铸态和研磨后的AlSi12Cu1(Fe)合金进行了对比分析。研磨处理能够去除表面的氧化层和一些微小的缺陷，从而改善基体表面的均匀性。结果显示，研磨后的表面在HA处理过程中能够形成更厚、更均匀的涂层，并且其表面粗糙度和磨损率都显著降低。这表明，表面预处理在提升涂层性能方面起到了关键作用。而对于PEO和PEOp涂层，研磨处理的影响相对较小，这可能是因为PEO的涂层形成机制与HA有所不同，其在处理过程中能够自动调整涂层结构，以适应基体表面的变化。

### SrAl?O?颗粒在PEO过程中的作用

本研究的一个重点是探讨SrAl?O?颗粒在PEO过程中的行为及其对涂层性能的影响。SrAl?O?是一种常见的荧光材料，其掺杂Eu2?和Dy3?可赋予涂层优异的光学特性。然而，本文关注的是未掺杂的SrAl?O?颗粒在PEO过程中的反应行为。研究发现，在PEO过程中，SrAl?O?颗粒能够被有效地引入到涂层中，并与电解液中的硅酸盐发生反应，生成新的相——Sr?SiO?。这一反应不仅增强了涂层的致密性，还提高了其耐磨性和抗腐蚀能力。

通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析，研究人员确认了SrAl?O?颗粒在PEOp涂层中的分布情况。结果显示，这些颗粒主要集中在涂层的外层，并在微孔和裂纹中形成稳定的结构。这种结构的形成有助于减少涂层中的空隙，提高其整体性能。此外，X射线衍射（XRD）分析进一步验证了Sr?SiO?相的存在，表明SrAl?O?颗粒在PEO过程中确实发生了化学反应，生成了新的化合物。

### PEOp涂层的优势

与传统的PEO涂层相比，PEOp涂层在多个方面表现出显著优势。首先，PEOp涂层的能耗降低了约23%，这主要归功于SrAl?O?颗粒的引入。这些颗粒能够促进涂层的生长，减少电流密度的需求，从而降低整体的能源消耗。其次，PEOp涂层的厚度有所增加，这有助于提高其抗磨损能力。第三，PEOp涂层的表面粗糙度降低，使得涂层更加光滑，减少了摩擦过程中的能量损失。

在磨损测试中，PEOp涂层表现出了更好的性能。SEM-EDS分析显示，磨损后的表面形成了稳定的 tribolayer（摩擦层），这表明Sr?SiO?相在摩擦过程中能够有效减少磨损率和摩擦系数。这一现象可能与Sr?SiO?相的高硬度和良好的化学稳定性有关。此外，研究还发现，PEOp涂层的摩擦层具有更好的附着力，能够在摩擦过程中形成更稳定的保护层，从而延长涂层的使用寿命。

### HA涂层的性能分析

除了PEO和PEOp涂层，本文还对HA涂层进行了详细分析。HA涂层通常在高压铸造铝合金上形成，其主要特点是具有较高的硬度和较低的孔隙率。然而，HA涂层的形成过程对基体表面的初始状态非常敏感。研究发现，铸态表面在HA处理过程中更容易形成不均匀的涂层，导致表面粗糙度和磨损率较高。而经过研磨处理的表面则能够形成更均匀、更致密的HA涂层，从而显著提升其耐磨性和抗腐蚀能力。

SEM和EDS分析进一步揭示了HA涂层的微观结构。铸态表面的HA涂层由于存在较多的表面缺陷，其结构较为松散，孔隙率较高。而研磨后的表面则能够形成更致密的涂层，减少孔隙和表面粗糙度。这种差异可能与基体表面的微观结构变化有关，研磨处理能够去除表面的氧化层和一些不均匀的组织，使得HA涂层在形成过程中能够更均匀地生长。

### 涂层性能的综合评估

通过对PEO、PEOp和HA涂层的综合评估，研究者发现不同处理方式对涂层性能的影响各有特点。PEO和PEOp涂层在能量消耗、厚度和表面粗糙度方面表现出优于HA涂层的性能，尤其是在研磨处理后的基体上。然而，HA涂层在某些特定应用中仍然具有优势，如需要更高硬度和更低孔隙率的场合。因此，选择合适的表面处理技术需要根据具体的应用需求进行权衡。

此外，研究还发现，涂层的性能不仅受到处理技术的影响，还与基体的初始状态密切相关。铸态表面由于存在较多的表面缺陷和不均匀的微观结构，其涂层性能通常不如研磨后的表面。因此，在实际应用中，对铝合金进行适当的表面预处理是非常重要的。通过研磨处理，可以有效改善基体表面的均匀性和致密性，从而提升涂层的整体性能。

### 涂层的微观结构与性能关系

涂层的微观结构对其性能有着直接的影响。在PEO和PEOp处理过程中，形成的陶瓷涂层通常具有较高的硬度和良好的附着力。这些特性使得涂层在摩擦和腐蚀环境中表现出优异的性能。然而，涂层的微观结构也会受到基体表面状态的影响。例如，铸态表面由于存在较多的表面缺陷，可能导致涂层的生长不均匀，从而影响其整体性能。

相比之下，研磨后的表面能够形成更均匀的涂层，减少表面粗糙度和孔隙率。这不仅提高了涂层的耐磨性，还增强了其抗腐蚀能力。通过SEM和EDS分析，研究人员发现，研磨后的表面在PEO和PEOp处理过程中能够更有效地形成致密的结构，减少涂层中的空隙和裂纹。这种结构的形成有助于提高涂层的稳定性，使其在摩擦过程中能够更好地保护基体。

### 结论与未来展望

本研究系统地探讨了SrAl?O?颗粒在PEO过程中的行为及其对涂层性能的影响。结果表明，PEOp涂层在多个方面优于传统的PEO涂层，包括能量消耗、厚度和表面粗糙度。此外，PEOp涂层在磨损测试中表现出更好的性能，其摩擦层具有更高的稳定性，从而减少了磨损率和摩擦系数。这些发现为未来的表面处理技术提供了新的思路，尤其是在如何通过引入特定颗粒来优化涂层性能方面。

然而，研究也指出，目前对于SrAl?O?颗粒在PEO过程中的行为研究仍不够系统。因此，未来的研究可以进一步探讨不同颗粒尺寸和浓度对涂层性能的影响，以及如何优化处理参数以实现最佳的涂层效果。此外，还可以研究不同合金成分对涂层性能的影响，以期找到适用于更多种类铝合金的最佳表面处理方案。

总的来说，本文的研究结果为铝合金表面处理技术提供了重要的理论依据和实践指导。通过合理选择处理技术并优化初始表面状态，可以显著提升铝合金的表面性能，从而延长其使用寿命并提高应用价值。这些发现不仅对材料科学领域具有重要意义，也为工业生产中的表面处理工艺改进提供了新的方向。