Page 97 - 《摩擦学学报》2021年第6期
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882 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
对N36 Zr合金表面MAO涂层的形成过程和机理的 10 000次，测试溶液与电化学腐蚀溶液一致.
认识，对MAO涂层的腐蚀和磨蚀机理的认识还不够 磨蚀试验后，采用无水乙醇超声清洗试样. 采用
清晰. 扫描电子显微镜(SEM, JSM-7001F)和能谱仪(EDX,
MAO涂层的制备工艺影响因素很多，如工作电 EDAX-7760/68M)分析磨痕形貌、损伤机理和摩擦化
压、频率、占空比、氧化时间和电解液组成等. 工作电 学反应. 磨痕的三维形貌和磨损体积通过白光干涉仪
压是影响MAO涂层致密性和结合强度的重要参数之 (Bruker Contour GT-K1)测量.
一. 本文作者将在硅酸盐电解液体系中，通过调整工
2 结果与讨论
作电压，在N36 Zr合金表面制备不同的MAO涂层，研
究工作电压对涂层形貌、相结构、元素分布、腐蚀和磨 图1表示不同工作电压的MAO涂层表面形貌的
蚀性能的影响. SEM照片. MAO涂层的表面呈现出典型的多孔和火
山熔融状结构，这是由于弧光放电过程中形成的放电
1 材料及方法
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通道导致的 . 在低工作电压条件下，涂层表面的孔洞
N36 Zr合金由中国核动力研究设计院提供，其化 细小而且均匀分布，尺寸约为1~2 μm. 随着工作电压
学成分(质量分数)为1.0 % Nb、1.0% Sn、0.3% Fe和Zr. 的增加，火山状熔融物逐渐突起，孔洞增大，这是因为
Zr合金管外径为9.5 mm，壁厚为0.5 mm，被切割成长 MAO涂层的表面形貌与膜层的击穿电压和微弧放电
度为30 mm的管. 采用成套QX−30设备制备MAO涂 区的温度有直接的关系. 当工作电压增加时，试样表
层，电解液为硅酸盐体系，其组成为15 g/L KOH、 面承受的能量密度更大，加剧击穿已经形成的氧化层.
15 g/L Na SiO 和3 g/L NaF. 采用恒电压模式，频率为 同时形成的熔融物更容易流动，导致形成火山状的熔
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300 Hz，占空比为30%，氧化时间为15 min. 工作电压 融物更加突起，成膜速度也增加 . 从EDS结果可以看
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为 220、 260、 300和 340 V， 分 别 命 名 MAO-220 V、 出，不同工作电压的MAO涂层主要由C、O、Si和Zr元
MAO-260 V、MAO-300 V和MAO-340 V. 不同电压条 素组成，表明涂层主要由ZrO 组成.
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件下的MAO涂层制备过程中的功率分别为22.5、27.1、 不同工作电压的MAO涂层的XRD图谱如图2所
31.4和35.3 W. 示. MAO涂层主要由单斜m-ZrO 、四方t-ZrO 和Zr组
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采用扫描电子显微镜(SEM, JSM-7001F)观察MAO 成. m-ZrO 是一种常温的稳定相，在1 200 ℃以上时
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涂层的表面和截面形貌，并结合能谱仪(EDX, EDAX- 会转变为高温t-ZrO 稳定相 [11] . 在降温冷却过程中，
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7760/68M)测定MAO涂层的元素成分；MAO涂层的物 t-ZrO 相会向m-ZrO 相转变，相变过程中伴随着7%~
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相 组 成 通 过 X射 线 衍 射 仪 (XRD, Panalytical)分 析 ； 9%的体积膨胀，导致涂层内部产生应力出现微裂纹.
MAO涂层的表面粗糙度采用白光干涉仪(Bruker Contour MAO涂层中存在高温稳定相是因为在涂层形成过程
GT-K1)测量；MAO涂层的硬度采用MVK-H21的显微 中电解液中的硅酸阴离子会在电场的作用下向微弧
维氏硬度计测量. 涂层的结合强度通过划痕试验在 放电通道处移动，在通道内会包裹在t-ZrO 周围或固
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CETR设备上进行，样品被固定在特定的夹具上. 电机 溶到其中，在应力束缚效应和颗粒尺寸效应的作用
以2 mm/min的速度驱动洛氏金刚石刀头运动5 mm， 下，抑制t-ZrO 相向m-ZrO 相转变，使高温的t-ZrO 在
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载荷从1 N增至60 N. 室温下存在 . 因此，抑制t-ZrO 相转变有利于降低涂
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采用电化学工作站(CHI 660，上海辰华公司)测试 层表面的裂纹，提升涂层的致密度. 没有含Si的相被
MAO涂层的动电位极化曲线和交流阻抗图谱. 辅助电 检测到是因为Si的含量较低或处于无定形相.
极为Pt片，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，工作电极 图3(a)是Zr合金基体和不同工作电压的MAO
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为试样，其暴露面积为1 cm ，腐蚀溶液为1 200 mg/L 涂层的表面轮廓. Zr合金基体的表面更加平滑，而
H BO +2.2 mg/L LiOH. 极化曲线的扫描速率为0.5 mV/s， MAO涂层的表面更加波动起伏，这是因为涂层表面
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阻抗测试的频率为10 ~10 . 的微孔和熔融物导致的. 随着工作电压的增加，涂层
采用微动磨损试验设备与电化学工作站在开路 的轮廓波动增加. 从图3(b)可以看出，MAO涂层的粗
电位条件下开展磨蚀试验. 试样与摩擦副的接触方式 糙度比基体更高，且MAO-340 V涂层的粗糙度最大.
为管柱正交，摩擦副材料为氧化锆陶瓷. 测试条件为 MAO涂层可以显著提升Zr合金的硬度，这是因为
位移幅值100 μm，载荷20 N，频率5 Hz，循环次数为 MAO涂层由ZrO 陶瓷组成，具有较高的硬度，MAO-
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