铝合金表面微弧氧化自润滑复合膜的制备及摩擦学性能研究

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近年来,汽车轻量化已成为国内外汽车行业发展势不可挡的趋势。铝合金因具有质轻、比强度高和良好的加工性能等优点,越来越倍受汽车零部件加工行业的青睐。然而,铝合金在无润滑的工况下通常表现出较差的摩擦学性能,这又限制了其在实际中的应用。基于此,本文利用微弧氧化技术在7075铝合金表面原位制备了硬质MAO陶瓷层,进而采用浸渍-烧结处理工艺在多孔的陶瓷层表面分别制备了具有自润滑性能的PTFE和UHMWPE复合膜层,解决了传统微弧氧化陶瓷层存在的表面摩擦系数较高的关键问题。研究结果表明:(1)电解液体系影响铝合金表面微弧氧化陶瓷层的表面形貌、厚度、硬度、抗磨及耐蚀性能。在硅酸盐电解液中制备的陶瓷层表面孔隙率最低且具有最大的厚度,表现出了最佳的抗蚀性能。但其表面粗糙度较高且硬度较低,因此抗磨性能较差。相反,在磷酸盐电解液中制备的陶瓷层具有最大的孔径及孔隙率,并且其厚度较薄,因此耐蚀性能较差。但其表面粗糙度最低且硬度最高,与铝合金相比,其平均磨损率降低了90%,因而表现出最佳的抗磨性能,但其在整个摩擦实验过程中摩擦系数较高,平均摩擦系数约为0.5。(2)采用浸渍-烧结处理工艺在微弧氧化陶瓷层表面涂覆PTFE涂层后,陶瓷层表面大量的微孔及微裂纹均被PTFE材料填充且在其表面形成了厚度约为13μm的自润滑薄膜,这有效降低了陶瓷层的表面粗糙度,另外,陶瓷层表面凹凸不平的多孔结构有利于PTFE的存储及粘附。MAO陶瓷膜层的静态水接触角仅为41°,具有明显的亲水特性,而自润滑复合膜层的静态水接触角高达130°,表现出了优异的疏水性能。与MAO陶瓷层相比,复合膜层的腐蚀电位正向移动了90 m V,腐蚀电流密度下降了3个数量级,且在长达15天的海水浸泡实验下仅仅出现了微弱的点蚀。此外,陶瓷层在干滑动条件下的摩擦系数约为0.6,平均磨损率为2.65×10-4mm3·N-1·m-1。然而,自润滑复合膜层的摩擦系数仅为0.12,并且在整个摩擦实验过程中保持稳定,平均磨损率比陶瓷层降低了30%,这有效改善了陶瓷层的摩擦学性能。(3)陶瓷层表面不同厚度的自润滑UHMWPE薄膜具有不同表面形貌及其性能,厚度最大的UHMWPE薄膜(12μm)可以有效地改善陶瓷层粗糙多孔的表面缺陷,其静态水接触角可达118°,并且腐蚀电位比陶瓷层增加了160 m V,腐蚀电流密度下降了3个数量级。此外,厚度较小的自润滑UHMWPE薄膜承载能力较低,而厚度最大的UHMWPE薄膜在高载荷长摩实验条件下摩擦系数(0.09)较小且保持稳定,平均磨损率比陶瓷层降低了75%,表现出优异的减摩抗磨性能。
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