采用SiC纳米流体增强的WEDM技术在Al 6061合金表面制备的双层耐磨涂层：脉冲持续时间对涂层结构及无油摩擦学性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：Bilayer wear-resistant coating on Al 6061 fabricated by SiC nanofluid-enhanced WEDM: Role of pulse duration in structure and oil-free tribology

　　

郭翠霞|何贵|张建平|周新军|张世学|吴张勇

四川科技大学机械工程学院，中国自贡市，643000

摘要

为了满足航空航天应用中对轻质铝合金耐磨性的要求，本研究提出了一种原位表面改性方法：利用基于乳液的SiC纳米流体介质（E-SiC-NFD）通过高速线切割电火花加工（HS-WEDM）在Al 6061合金表面制备双层耐磨涂层。本研究重点探讨了脉冲持续时间相关因素对双层涂层原位形成、机械性能及无油摩擦性能的调控作用。主要研究成果如下：（1）通过一步工艺原位制备了由软质自润滑层和硬质承载层组成的异质双层涂层，并系统阐明了这两层之间的钉扎-锁定界面强化机制；（2）揭示了脉冲持续时间相关因素对涂层微观结构、厚度、显微硬度和摩擦性能的调控规律，确定最佳工艺参数为脉冲持续时间6 μs时涂层综合性能最优；（3）阐明了摩擦降低与耐磨性之间的解耦机制，表明最低摩擦系数（COF）和最长耐磨寿命由两种独立机制决定：摩擦系数受石墨状自润滑相的形成控制，而耐磨寿命则取决于涂层的机械强度和层间界面完整性。在最佳脉冲持续时间6 μs下，涂层实现了66分钟的最长耐磨寿命和0.189的稳定摩擦系数；将脉冲持续时间延长至12 μs时，摩擦系数降至0.143，但耐磨寿命显著缩短至27分钟。本研究实现了铝合金的精密成形与原位表面强化的结合，为轻质铝合金的耐磨改性提供了一种高效、低成本的集成工艺。

引言

铝合金因其低密度（约2.7 g/cm3）、高比强度和优异的耐腐蚀性，成为汽车和航空航天应用的理想轻质结构材料[1] [2]。然而，其固有的较差摩擦性能（表现为表面硬度低和抗咬合载荷能力弱）严重限制了其在恶劣工作条件下的长期服役性能。因此，表面改性是满足工业应用严苛耐磨要求的必要手段[1] [3]。

传统的表面改性技术，包括热喷涂[4]、激光熔覆[5]、电镀[6]、物理气相沉积（PVD）[7]和微弧氧化[8]，已被广泛用于提高铝合金的耐磨性。然而，这些技术在工业应用中存在技术和经济上的局限性：热喷涂需要专用设备并严格控制环境；电镀会产生有毒废水，对环境造成严重危害；PVD依赖昂贵的高真空系统；微弧氧化能耗过高。更重要的是，这些传统技术通常需要多个独立的连续工序，且难以适应具有复杂腔体和薄壁结构的铝合金零件的批量制造。这些挑战迫切需要一种经济高效、集成的铝合金加工改性方法。

作为非接触式精密加工技术，高速线切割电火花加工（HS-WEDM）具有无宏观切削力、工具磨损小以及对复杂几何形状零件适应性强的独特优势，已成为制造高精度铝合金零件的主流工艺之一[9] [10] [11]。然而，HS-WEDM过程中瞬时高温熔化和快速凝固的非平衡热力学过程不可避免地会在加工表面引入微裂纹和软化层等缺陷，显著降低零件的服役性能和疲劳寿命[12] [13]。在这种情况下，粉末混合电火花加工（PMEDM）作为一种有前景的表面改性方法应运而生[14] [15]。通过将微/纳米级粉末引入介质流体中，放电过程中产生的瞬态高温等离子体可在工件表面引发原位冶金反应，实现无需额外预处理或后处理的单一工序功能改性层的制备[16] [17] [18] [19] [20] [21]。在各种粉末添加剂中，碳化硅（SiC）因其超高硬度、优异的耐磨性和高温稳定性而在PMEDM中得到广泛应用[22]。例如，Mughal等人[23]的研究表明，添加SiC粉末可将Ti6Al4V合金的表面显微硬度从320 HV提升至727 HV。然而，大多数关于SiC粉末混合电火花加工的研究主要集中在改善单一整体铸造层的缺陷和硬度上，对降低摩擦性能的优化研究较少，未能实现低摩擦和高耐磨性的协同优化[24] [25]。

纳米流体作为一种新型电火花加工介质，相比传统粉末混合介质流体具有更好的导热性、电场响应性和沉积稳定性[26] [27] [28] [29] [30]。在先前的研究中[31]，作者首次报道了基于乳液的SiC纳米流体介质（E-SiC-NFD）可用于Al 6061合金的HS-WEDM表面改性，并能在合金表面原位形成双层异质涂层，其摩擦性能明显优于传统工艺制备的单层涂层。然而，这种双层涂层的原位形成机制、关键工艺参数对涂层结构和摩擦性能的调控作用以及结构与性能之间的关联尚不明确，限制了该技术的优化和工业应用。

基于此背景，本研究系统地探讨了利用E-SiC-NFD辅助HS-WEDM对Al 6061合金进行原位表面改性的过程，重点研究了脉冲持续时间相关因素对涂层微观结构、机械性能及无油摩擦性能的调控机制。主要研究成果如下：（1）通过E-SiC-NFD辅助HS-WEDM在Al 6061合金表面原位制备了由软质自润滑层和硬质承载层组成的异质双层涂层，并系统阐明了主导层间结合性能的钉扎-锁定界面强化机制；（2）揭示了脉冲持续时间相关因素对涂层微观结构、机械性能和摩擦性能的非单调演变规律，确定了涂层综合性能的最佳工艺参数；（3）阐明了摩擦降低与耐磨性之间的解耦机制，表明最低摩擦系数和最长耐磨寿命由不同机制控制，为设计具有优异性能的固体润滑耐磨涂层提供了灵活的设计原则。

章节摘录

乳液基SiC纳米流体的制备

乳液基SiC纳米流体介质（E-SiC-NFD，浓度3 g/L）按照参考文献[32]中的方法分两步制备。SiC纳米颗粒（平均粒径50 nm，纯度≥99.9%，体积密度3160 kg/m3）由上海超威纳米科技有限公司提供（中国上海）；十二烷基苯磺酸钠（SDBS，分析级（AR），纯度≥99.0%购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）；JR3A特殊...

加工材料

选择Al 6061合金作为基底材料，因其具有高比强度、低密度和良好的耐腐蚀性。其固有的较差摩擦性能是制约工程应用的主要因素，这也是进行表面改性的动力。该合金由中国宏年金属材料有限公司提供，其化学成分见表1。

作为基准参考，Al 6061合金在相同条件下的显微硬度约为95 HV...

双层涂层的微观结构和成分

通过E-SiC-NFD辅助HS-WEDM在Al 6061合金表面原位合成的双层涂层的微观结构、元素分布、相组成及基本机械性能进行了系统表征，以验证其异质结构并为后续的性能分析和机制研究提供基础支持。

结论

通过HS-WEDM和E-SiC-NFD在Al 6061合金基底上原位制备了双层耐磨涂层，解决了传统铝合金表面改性技术无法同时实现低摩擦和高耐磨性的关键问题。本研究的主要结论如下：

（1）形成了由软质富碳自润滑层和硬质富Al?O?承载层组成的异质双层结构...

CRediT作者贡献声明

郭翠霞：方法论设计、数据管理、初稿撰写。何贵：实验研究、数据分析、软件应用。张建平：项目管理、数据管理、实验研究。周新军：数据分析、结果验证、撰写与编辑。张世学：数据管理、数据分析。吴张勇：方法论设计、资金申请、资源协调。

参与同意书

不适用。

发表同意书

不适用。

伦理审批

不适用。

资金支持

本研究得到了四川省科技计划（项目编号：2026NSFSC0326）、四川科技大学科研创新团队计划（项目编号：H92322）、国家自然科学基金（项目编号：51301115）、四川省工艺装备与控制重点实验室（项目编号：GK202307）以及四川科技大学大学生创新创业培训计划的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。