摘要：本文介紹了一種應(yīng)用在鋁及各種鋁合金表面的基于二氧化鈦的涂層。由于二氧化鈦?zhàn)陨淼幕瘜W(xué)特性，這種涂層的耐腐蝕能力強(qiáng)，在腐蝕性環(huán)境下可以為基材提供良好的保護(hù)。測(cè)試表明，該涂層還具有優(yōu)異的耐溫性、耐磨性和極低的摩擦系數(shù)的特性，是一種高性能、環(huán)保的表面處理技術(shù)，在工業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景。

    關(guān)鍵詞：二氧化鈦涂層；鋁合金腐蝕防護(hù)；減摩性能    

    1.前言

    鋁及其合金材料具有重量輕、強(qiáng)度大、加工方便的特性，在當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但是由于鋁本身比較活潑的化學(xué)特性，其在應(yīng)用中常常面臨受環(huán)境影響快速腐蝕進(jìn)而失效的問題。因此，對(duì)鋁及其合金進(jìn)行表面處理，從而隔絕基材與環(huán)境，對(duì)于提高其耐腐蝕能力非常重要。鋁及其合金在各領(lǐng)域應(yīng)用的深入，對(duì)于耐腐蝕性涂層本身也提出了各種更高的要求，例如更強(qiáng)的耐腐蝕能力、耐磨性、表觀的均勻性及耐溫性等等。

    鋁氧化技術(shù)（陽(yáng)極氧化、硬質(zhì)陽(yáng)極氧化、微弧氧化等）為鋁及其合金的耐腐蝕保護(hù)提供了一種選擇，但是鋁氧化技術(shù)在一些特定應(yīng)用方面的特性依然不能令人滿意。與此同時(shí)，傳統(tǒng)技術(shù)的處理時(shí)間較長(zhǎng)，成為影響產(chǎn)率的較大瓶頸，例如硬質(zhì)陽(yáng)極氧化，30微米厚度的氧化膜大約需要40~60分鐘的處理時(shí)間。為了適應(yīng)業(yè)界更高性能和更快處理速度的需求，尋找一種能夠替代傳統(tǒng)鋁氧化的新技術(shù)具有積極深遠(yuǎn)的意義。

    2.技術(shù)原理

    二氧化鈦具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，不易與酸堿發(fā)生反應(yīng)，因此它有希望作為涂層材料，達(dá)到隔絕鋁基材與腐蝕性環(huán)境的效果。

    漢高的ECC技術(shù)使用含鈦的處理液，待涂覆工件作為陽(yáng)極，不參與反應(yīng)的惰性金屬板作為陰極，在通電的條件下完成對(duì)鋁及各種鋁合金基材的涂覆。在ECC的處理過程中，通電后溶液中的氧被高壓等離子化，產(chǎn)生的等離子體與溶液中的鈦結(jié)合，形成二氧化鈦沉積在工件表面。等離子體的微觀溫度高達(dá)上萬(wàn)度，在鈦與鋁之間能形成Ti-O-Al的賦予了二氧化鈦極好的基材結(jié)合力。

    O^*+[Ti]→TiO₂

圖1. ECC處理過程原理

    ECC的處理流程簡(jiǎn)單，一般不需要酸洗/表調(diào)流程。全流程處理時(shí)間約15分鐘，其中ECC的時(shí)間約3~5分鐘。相比傳統(tǒng)的鋁氧化技術(shù)，ECC大大降低了工藝流程和處理時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。  

圖2.ECC處理流程

    3.ECC涂層的性能和應(yīng)用

    3.1基本特性

    通過掃描電子顯微鏡可以清楚的看到，ECC涂層的表面為多孔結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。利用三維激光掃描顯微鏡對(duì)表面形貌進(jìn)行成像，可以得到表面粗糙度，經(jīng)軟件分析ECC的平均粗糙度約為0.8μm。通過微觀硬度儀測(cè)試，ECC涂層的微觀硬度為600~1200Hv。 

圖3.ECC表面形態(tài)

    3.2性能測(cè)試

    針對(duì)特定應(yīng)用環(huán)境，ECC涂層進(jìn)行了不同性能測(cè)試。

    （1）涂層附著力及耐冷熱沖擊能力

    ECC涂覆的樣板在600°C加溫84小時(shí)，隨后立即放入5°C的水中迅速冷卻，再按照GB/T9286的規(guī)定劃格，劃格間距為1mm。劃格后按大于GB/T1732中規(guī)定的10N沖擊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在基板沖擊破裂的情況下，ECC涂層無(wú)開裂或脫落；將粘著力大于10N/25mm的3M膠帶覆蓋在劃格沖擊后的圖層上，按壓以排除空氣，再垂直于涂層表面快速拉起膠帶，ECC涂層無(wú)開裂或脫落。

圖4.耐冷熱沖擊及涂層附著力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    （2）T彎試驗(yàn)

    使用T型彎曲儀來(lái)測(cè)試涂層的T型彎曲性能，檢查涂層有無(wú)開裂或脫落。經(jīng)測(cè)試，ECC涂層在不同基材上可達(dá)到1~2T。

    （3）耐磨性測(cè)試

    使用A2024和A6061基材，按照泰氏挺度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，常見的涂層進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)，測(cè)試使用CS-10輪。經(jīng)過測(cè)試，ECC涂層的耐磨性能優(yōu)于硬質(zhì)陽(yáng)極氧化。

圖5.泰氏挺度測(cè)試結(jié)果

    （4）中性鹽霧試驗(yàn)

    參照GB/T10125-1997的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)使用不同基材并進(jìn)行ECC涂覆。試驗(yàn)前，測(cè)試板均劃線穿透ECC膜層，試驗(yàn)后檢測(cè)基板整體及劃線處的擴(kuò)蝕情況。

表1. ECC在不同基材上中性鹽霧（NSST）測(cè)試結(jié)果

    （5）海水腐蝕測(cè)試

    鋁工件在ECC處理后，噴涂面漆并做劃痕處理；測(cè)試使用傳統(tǒng)的六價(jià)鉻鈍化工藝作為對(duì)比，在鈍化后噴涂底漆和面漆也做劃痕處理。兩個(gè)工件在涂覆完畢后，浸沒在海水中六個(gè)月時(shí)間，然后取出評(píng)價(jià)腐蝕情況。ECC處理的工件未出現(xiàn)腐蝕，而鉻鈍化的工件起泡嚴(yán)重，擴(kuò)蝕明顯。 

    （6）極端腐蝕環(huán)境測(cè)試

    針對(duì)某些特定的極端腐蝕環(huán)境，ECC可以通過封孔的方法提高其耐腐蝕能力。漢高研發(fā)了一系列封孔劑，適應(yīng)不同的環(huán)境要求。以下為一系列標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)耐蝕性測(cè)試方法及結(jié)果。 

    （7）摩擦學(xué)特性測(cè)試

    使用Pin-on-disk方法對(duì)ECC在無(wú)潤(rùn)滑劑情況下的摩擦學(xué)特性進(jìn)行了研究，類金剛石石墨（DLC）涂層也進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，DLC涂層具有耐磨以及低摩擦系數(shù)的特性，廣泛應(yīng)用在高端發(fā)動(dòng)機(jī)中。由于常見的DLC涂層經(jīng)過了拋光處理，因此ECC分為拋光和未拋光兩組。

    測(cè)試結(jié)果表明，在粗糙度接近的情況下，ECC涂層在干摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)略低于DLC涂層。

    使用Cameron-Plint方法對(duì)ECC在加溫有潤(rùn)滑劑條件下的摩擦學(xué)特性進(jìn)行了研究，與前面的測(cè)試一樣，DLC涂層依然作為參照。測(cè)試結(jié)果表明，ECC涂層在濕摩擦的狀態(tài)下遠(yuǎn)低于DLC涂層，而且在不同壓力負(fù)載情況下，ECC涂層摩擦系數(shù)的變化也更小。

圖7. ECC與DLC涂層在有潤(rùn)滑劑加溫條件下摩擦系數(shù)比較

    4.結(jié)論

    ECC技術(shù)的核心是通過特定電流波形將溶液中的氧等離子化，生成的氧等離子體與溶液中的鈦離子結(jié)合生成二氧化鈦，并由化學(xué)鍵與鋁基材結(jié)合。由于二氧化鈦?zhàn)陨淼幕瘜W(xué)穩(wěn)定性，ECC涂層可以為鋁及其合金提供極好的耐腐蝕保護(hù)。在中性腐蝕條件下（NSST），ECC的耐腐蝕能力約為現(xiàn)有鋁氧化技術(shù)（陽(yáng)極氧化、硬質(zhì)陽(yáng)極氧化、微弧氧化等）的200~500%。在極端環(huán)境下，通過封孔的方式可以提高ECC的耐腐蝕能力。針對(duì)不同環(huán)境，我們研發(fā)了一系列封孔劑，可以滿足使用需求。

    ECC涂層與基材之間通過化學(xué)鍵連接，因此其具有非常優(yōu)異的結(jié)合力和抗溫度沖擊能力，在劇烈溫度變化和力學(xué)沖擊的情況下，膜層不會(huì)剝落。在形貌復(fù)雜或者尖銳的工件表面通過ECC技術(shù)可以均勻成膜。

    由于ECC涂層在高硬度的同時(shí)也具備極好的柔韌性，其自身耐磨性強(qiáng)，這已在泰氏挺度試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。與此同時(shí)，在不同條件下的摩擦學(xué)還測(cè)試表明，ECC涂層的摩擦系數(shù)很低，甚至優(yōu)于目前使用在高端發(fā)動(dòng)機(jī)上的涂層材料。因此ECC在有摩擦表面的工件上具備廣泛的應(yīng)用前景。