《Thin Solid Films》：Enhancing Adhesion and Tribological Properties of Al7075 via Shot Peening and Physical Vapor Deposition Techniques
编辑推荐：
本研究采用喷丸处理（SP）结合物理气相沉积（PVD）制备TiN涂层，优化SP参数（S110/S230 shot类型，8A/10A Almen强度）和PVD工艺（电流2-3A，N?流量5-7sccm，占空比15-30%），通过显微分析、显微硬度、划痕和销盘磨损测试，系统评估了表面结构、力学性能及摩擦磨损性能。结果表明，SP显著提高表面硬度（达832HV，提升395%），但增加粗糙度，后续TiN涂层可有效降低粗糙度至3-4μm，并提升附着力（临界载荷27N）。最优组合为S230 shot+10A Almen强度+优化PVD参数（R3），验证了协同处理对提升Al7075表面耐久性的有效性。
贝赫扎德·加塞米·帕尔文（Behzad Ghasemi Parvin）| 戈克汉·古尔滕（Gokhan Gulten）| 雅萨尔·托蒂克（Yasar Totik）| 伊赫桑·埃费奥格鲁（Ihsan Efeoglu）
土耳其埃尔祖鲁姆（Erzurum）阿塔图尔克大学（Atatürk University）工程学院机械工程系，邮编25240
摘要
Al 7075是一种高强度铝合金，广泛应用于航空航天和汽车领域；然而，其表面硬度和耐磨性有限。在本研究中，使用S110和S230两种喷丸类型，在8A和10A的Almen强度下对Al 7075进行了喷丸处理，随后通过物理气相沉积（PVD）技术制备了TiN薄膜。涂层制备过程采用了不同的靶材电流（2-3 A）、氮气流量（5-7 sccm）和占空比（15-30%），这些参数基于Taguchi L4设计确定。通过显微镜观察、显微硬度测试、划痕测试以及干摩擦条件下的销盘实验，评估了这些样品的结构、机械和摩擦学性能。复合处理后，表面硬度从约178维氏硬度（HV）提高到了约832 HV（使用S230喷丸和TiN涂层的样品），提高了约395%。喷丸处理使表面粗糙度从大约4-5 μm增加到9-12 μm，而后续的TiN涂层将粗糙度降低到了约3-4 μm。划痕测试结果显示涂层附着力得到改善，临界载荷值达到了27 N。在所有测试条件下，S230喷丸类型与10A Almen强度以及优化的PVD参数组合在硬度、附着力和摩擦学性能之间取得了最佳平衡，证明了喷丸辅助TiN涂层对提高Al 7075表面耐久性的有效性。
引言
Al 7075铝合金因其高强度重量比而被广泛应用于航空航天[1]、[2]、[3]和汽车[4]等行业。Al 7075主要由锌作为主要合金元素与铝结合而成。铝具有出色的性能组合，包括高强度重量比、优异的耐腐蚀性和良好的摩擦学特性[5]、[6]、[7]。尽管Al 7075合金的强度优于标准铝合金，但在极端磨损条件下，它可能会通过材料转移对对立表面造成磨损。此外，虽然铝合金的快速氧化有助于提高摩擦接触中的硬度，但氧化层的脆性可能导致界面处的磨料磨损[8]。材料的最常见失效机制通常与磨损有关，而这一现象与材料表面状态密切相关。有多种方法可以改善材料性能并提高其耐磨性[9]。喷丸处理（SP）能够增加表面硬度、产生压缩残余应力并减小晶粒尺寸。实现这些目标的一种广泛接受的方法是在材料表面增强或形成硬质层[10,11]。喷丸处理在航空航天[12]和汽车[13]行业中常用于提高表面质量和延长机械部件的疲劳寿命。另一种改善材料表面性能的方法是涂覆硬质薄膜。文献中常用的薄膜沉积技术包括化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、原子层沉积（ALD）、等离子体电解氧化（PEO）等[14]、[15]、[16]、[17]。其中，磁控溅射（一种物理气相沉积方法）被认为是获得优质薄膜的最有效技术。磁控溅射相比其他方法具有更多优势，如更好的薄膜厚度控制、均匀性和附着力，以及能够在较低温度下沉积涂层[18,19]。这些特点使得磁控溅射特别适合提高Al 7075等材料的耐磨性和机械性能。尽管取得了这些进展，但以往的研究主要关注SP或PVD涂层对Al 7075的单独影响[20,21]，很少有研究探讨SP引起的表面特性（如粗糙度、压缩应力、晶粒细化）与硬质涂层附着力和摩擦学行为之间的协同作用[22]。此外，大多数现有研究独立优化了SP或涂层参数，而没有考虑喷丸类型和Almen强度的变化对涂层生长机制、附着力或耐磨性的影响[23,24]。先前研究的另一个重要局限性是对机械表面改性后涂层性能的界面机制缺乏充分量化。具体来说，喷丸处理产生的表面变形和残余应力场如何影响TiN涂层的成核、柱状生长和应力分布仍不甚明了。填补这一知识空白对于实现轻质合金的可重复性和优化表面完整性至关重要。
在本研究中，Al 7075样品分别使用了S110和S230两种喷丸类型以及8A和10A两种Almen强度进行了喷丸处理。随后，根据Taguchi L4正交阵列确定了不同的涂层参数，在喷丸处理后的样品上沉积了TiN薄膜，并全面分析了这些表面处理样品的结构、机械和摩擦学性能。
材料与方法
实验中使用的Al7075基材为原始状态，喷丸处理或涂层前未进行任何热处理或回火。喷丸处理前，将Al 7075样品切割成厚度为5 mm、直径为30 mm的尺寸。表1列出了所使用的Al 7075样品的能谱（EDS）分析结果。切割后的样品表面经过抛光处理，达到0.1 μm的粗糙度。
结果与讨论
XRD分析显示，未经处理和经过喷丸处理的样品均显示出典型的铝晶体学平面峰，如图4（A）所示。在大多数情况下，喷丸处理并未导致额外的衍射峰或异常峰出现，表明该处理并未显著改变材料的相组成。然而，处理后样品的某些性质发生了明显变化。
结论
本研究系统地研究了两种不同喷丸类型（S110和S230）以及两种不同Almen强度（8A和10A）对Al 7075合金的结构、机械和摩擦学性能的影响，随后通过PVD技术沉积了TiN薄膜。结果表明，喷丸处理有效改变了合金的近表面状态，形成了塑性变形的表面。
作者贡献声明
贝赫扎德·加塞米·帕尔文（Behzad Ghasemi Parvin）：概念构思、数据整理、数据分析、资金获取、研究设计、方法论制定、资源协调、软件使用、结果验证、可视化处理、初稿撰写及审稿编辑。戈克汉·古尔滕（Gokhan Gulten）：数据整理、数据分析、资金获取、研究设计、方法论制定、资源协调、软件使用、结果验证、可视化处理、初稿撰写及审稿编辑。雅萨尔·托蒂克（Yasar Totik）：概念构思、数据整理、数据分析、资金获取
作者贡献声明
贝赫扎德·加塞米·帕尔文（Behzad Ghasemi Parvin）：审稿编辑、初稿撰写、可视化处理、结果验证、软件使用、方法论制定、数据整理、研究设计、资金获取。戈克汉·古尔滕（Gokhan Gulten）：审稿编辑、初稿撰写、可视化处理、结果验证、软件使用、方法论制定、数据整理、资金获取、数据分析。雅萨尔·托蒂克（Yasar Totik）：审稿编辑、初稿撰写
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了阿塔图尔克大学-BAP（项目协议编号：FDK-2021-9586）的支持。作者感谢阿塔图尔克大学对项目的资助。
