采用微弧烧结技术在AA7075合金表面制备的ZrO2增强的Al2O3涂层的微观结构与摩擦学性能

《Surface and Coatings Technology》：Microstructure and tribological performance of ZrO2-toughened Al2O3 coatings fabricated on AA7075 by micro-arc sintering

　　

作者：孙曼西、李康、方永贵、邓建成、马雷、黄洪健

中国四川省成都市西华大学现代农业装备研究所，邮编610039

摘要

为克服传统微弧氧化（MAO）涂层的固有脆性，并实现ZrO₂的可控掺入以增强材料的韧性，本研究采用微弧烧结（MAS）技术在7075铝合金表面制备了Al₂O₃/ZrO₂复合陶瓷涂层。评估了ZrO₂含量（0–40 wt%）对放电行为、相组成、微观结构以及滑动摩擦和高载荷冲击条件下性能的影响。结果表明，ZrO₂的引入降低了击穿电压并提高了峰值电压，促进了多相结构的形成。涂层主要由θ-Al₂O₃、γ-Al₂O₃、SiO₂和t-ZrO₂组成。t-ZrO₂的保留为应力诱导的韧性转变提供了基础。ZrO₂的添加显著增加了致密内层的厚度并提高了结构完整性。涂层厚度从76.8 μm（ZTMAS-0）增加到97.9 μm（ZTMAS-40）。然而，过量添加（≥30 wt%）会导致多孔外层出现更多结构缺陷。在8 N的载荷下，涂层的稳态摩擦系数约为0.7，ZTMAS-10（含10 wt% ZrO₂）的磨损率比ZTMAS-0降低了24.86%。在10 N的载荷下，摩擦系数急剧降至约0.1，ZTMAS-20（含20 wt% ZrO₂）的磨损率降低了50.6%。冲击磨损测试表明，ZTMAS-20的冲击坑直径比ZTMAS-0减少了25.98%，证实了最佳ZrO₂含量显著提高了耐磨性和抗冲击性。

引言

7075铝合金因其低密度、高比强度和良好的加工性能而在航空航天、交通运输和高端设备中得到广泛应用[1]。在这些领域，7075铝合金作为结构材料在服役过程中经常承受摩擦和冲击等复杂载荷，容易发生磨损和剥落，最终导致结构失效[2]。表面改性是提高7075铝合金耐磨性和抗冲击性的有效方法[3]、[4]。

已开发出多种表面处理技术来应对这些挑战，包括等离子喷涂、阳极氧化和传统的微弧氧化（MAO）。等离子喷涂涂层具有较高的厚度，但通常附着力较差且孔隙率较高；阳极氧化层具有良好的耐腐蚀性，但在高载荷下的硬度和耐磨性有限[5]。

MAO（也称为等离子电解氧化PEO）是一种电化学表面处理技术，可在合金表面原位形成陶瓷涂层[6]。MAO涂层与基材具有牢固的冶金结合，具有高硬度、优异的耐磨性和耐腐蚀性。人们探索了多种策略来进一步改进MAO涂层，包括修改电解质组成[7]或添加回收玻璃粉等颗粒[8]。然而，传统的MAO涂层是一种本质上脆性的陶瓷材料，高硬度的优点往往伴随着低韧性[9]。在冲击或高循环疲劳载荷下，涂层内部容易产生微裂纹并迅速扩展，最终导致脆性剥落失效[10]。这种脆性限制了MAO涂层在冲击或循环载荷下的可靠应用[11]。

氧化锆（ZrO₂）的相变韧性机制为解决陶瓷脆性问题提供了有希望的途径。在陶瓷基复合材料中，ZrO₂的应力诱导四方相到单斜相（t → m）转变可以在裂纹尖端产生压缩应力场，有效偏转和钝化微裂纹，从而提高断裂韧性[11]。在其他含ZrO₂的多相陶瓷系统中也观察到了类似的相变诱导塑性和损伤容忍性[12]。

因此，研究人员尝试将ZrO₂引入MAO体系以改善涂层的机械和摩擦学性能。Muhaffel等人[13]在7075铝合金表面制备了含有ZrO₂颗粒的Al₂O₃基MAO涂层，发现与不含ZrO₂的涂层相比，它们在室温和300 °C下的耐磨性更佳，表明ZrO₂的引入有助于提高滑动接触下的摩擦学性能[14]。Qi等人[14]指出，ZrO₂颗粒可以有效填充放电孔隙并提高MAO涂层的致密性，从而显著降低摩擦系数并提高耐磨性和耐腐蚀性。然而，这项研究主要将性能改进归因于硬颗粒的增强和孔隙密封效果，对控制裂纹扩展机制的讨论较少。另一方面，一些研究从相组成和相稳定性的角度探讨了ZrO₂在MAO涂层中的作用[15]。Li等人[15]研究了各种纳米颗粒对氧化锆合金MAO涂层结构和微动磨损行为的影响，发现Al₂O₃等纳米颗粒可以在一定程度上稳定t-ZrO₂相并提高涂层致密性。Yang等人[16]将ZrO₂纳米颗粒引入镁合金MAO涂层，发现适量的ZrO₂显著提高了涂层硬度并降低了磨损率，而过量的ZrO₂则降低了涂层生长稳定性并加剧了放电损伤，这对摩擦学性能不利[17]。Qian等人[17]在PEO过程中原位合成了t-ZrO₂，形成了ZrO₂/MgO复合涂层。该涂层可以在裂纹尖端触发t-ZrO₂ → m-ZrO₂的应力诱导马氏体转变，并通过界面应力传递形成压缩应力场，从而抑制裂纹扩展，提高涂层韧性[18]。

尽管上述研究表明，添加ZrO₂可以在一定程度上提高MAO涂层的耐磨性[18]，无论是通过向电解质中添加ZrO₂颗粒还是采用原位合成方法[19]、[20]、[21]，ZrO₂的含量通常较低且难以精确控制，限制了相变韧性的充分发挥。此外，过量添加颗粒容易导致颗粒聚集[23]、[24]。因此，关于不同ZrO₂含量涂层的裂纹扩展行为和摩擦机制的研究仍然不足，特别是在中高载荷滑动磨损条件下，尚不清楚ZrO₂的相变韧性是否能有效抑制裂纹扩展。此外，现有关于ZrO₂增强MAO陶瓷涂层的文献主要关注简单的断裂韧性，缺乏对冲击磨损下涂层韧性的评估[25]。

最近，我们团队开发了一种新型的微弧烧结（MAS）技术，该技术涉及液相等离子辅助烧结钠硅酸盐结合的颗粒（SBP）预涂层[25]。这种方法显著提高了涂层生长速率，并允许在涂层中精确预置陶瓷颗粒。基于这一进展，本研究系统地研究了ZrO₂含量（0–40 wt%）对MAS制备涂层的微观结构、相组成和机械性能的影响。与之前ZrO₂掺入量低且难以控制的研究不同，我们的方法可以实现ZrO₂添加量的可控范围，从而系统评估相变韧性效应。此外，还评估了涂层的耐磨性和抗冲击性，特别关注应力诱导的ZrO₂相变在提高涂层韧性和减轻滑动和冲击载荷下的损伤中的作用。

章节摘录

涂层制备

涂层制备过程如图1所示。基底材料为7075铝合金，尺寸为30 mm × 30 mm × 2 mm。涂层前，先用400#至1000#的碳化硅砂纸对7075铝合金进行打磨，然后用去离子水和乙醇进行超声清洗，最后在空气中干燥。

根据表1配制SBP预涂层浆料。使用Al₂O₃粉末（约300 nm）和3 mol% Y₂O₃稳定的ZrO₂（3Y-ZrO₂，约300 nm）粉末

ZTMAS涂层的电压-时间曲线和烧结过程

电压-时间响应曲线（图3）显示了ZrO₂含量对放电行为的影响。与ZTMAS-0相比，含有ZrO₂的样品在初始阶段（0–1 min）的起始电压略低。随着放电的进行，它们的峰值电压更高，这一趋势随着ZrO₂含量的增加而变得更加明显。在初始阶段，虽然ZrO₂颗粒在室温下是绝缘体，但在高

结论

本研究采用MAS技术在7075铝合金表面制备了不同3Y-ZrO₂含量的Al₂O₃/ZrO₂复合陶瓷涂层，系统阐明了ZrO₂含量对涂层生长、微观结构、耐磨性和冲击行为以及磨损机制的影响。主要结论如下：

1. ZrO₂的引入延迟了稳态放电的开始时间并提高了峰值电压，促进了多相陶瓷涂层的形成。

作者贡献声明

孙曼西：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件应用，方法学研究，数据分析，概念化。李康：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件应用，方法学研究，数据分析。方永贵：软件应用，方法学研究，数据分析。邓建成：软件应用，方法学研究，数据分析。马雷：软件应用，方法学研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢四川省科技计划（2025ZNSFSC1281）和四川省智能焊接能源设备工程技术中心（IWEE-202505）的财政支持。