第34卷第1期 中国表面工程Vol.34 No. 1 202丨年2 月___________________________CHINA SURFACE ENGINEERING_____________________________Feb.2021 doi：10. 11933/j.issn. 1007-9289.20201222002
和摩擦磨损及耐腐蚀性能的影响+
王潇1刘照围2乔玉林3王思捷3
(1.陆军装甲兵学院兵器与控制系电子基础室北京100072;
2.陆军装甲兵学院蚌埠校区作战保障系装甲侦察教研室蚌埠233000;
3.陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心北京100072)
摘要：采用先驱体转化陶瓷法（PDC法）制备含ZnO晶须的Ti-S i复合陶瓷涂层，将ZnO晶须添加到激光裂解Ti-S i复合陶瓷 涂的先驱体中，增强Ti-S i复合陶瓷涂层的防腐蚀性能和减摩耐磨性能。通过扫描电子显微镜（SEM)、X射线衍射仪（XRD)、往复式摩擦磨损测试仪、电化学工作站等手段，分析含不同质
量分数ZnO晶须的Ti-S i复合陶瓷涂层的元素组成及存在形式、表面形貌、摩擦磨损性能以及防腐蚀性能。添加ZnO晶须对Ti-S i复合陶瓷涂层的组成和化学价态没有影响，但添加Z nO晶 须对Ti-S i复合陶瓷涂层的防腐性能有改善，添加ZnO晶须对Ti-S i复合陶瓷涂层的减摩性能有改善，在较高载荷下添加ZnO 晶须可以降低Ti-S i复合陶瓷涂层的摩擦因数，添加ZnO晶须质量分数为10%所得的Ti-S i复合陶瓷涂，载荷为5 N和7 N时 摩擦因数均比45钢低52%。添加不同质量分数ZnO晶须对复合陶瓷涂层表面表面形貌有很大影响，同时可以改善Ti-S i复 合陶瓷涂层摩擦磨损性能以及防腐蚀性能。
关键词：激光裂解；陶瓷涂层；ZnO晶须；防腐蚀；减摩
中图分类号：TG174
Structure, Frictional Wear and Corrosion Resistance of Ti-Si Composite Ceramic Coatings by Laser Cracking with ZnO Whiskers
WANG Xiao1LIU Zhaowei2QIAO Yulin3WANG Sijie 3
(1. Department of Weapons and Control,Army Academy of Armored Forces,Beijing 100072, China；
2.Arm ored Investigation of Combat Support,Arm y Academy of Arm ored Forces Bengbu Campus，Bengbu 233000，China;
3.National Engineering Research Center for Mechanical Product Remanufacturing,
Army Academy of Armored Forces,Beijing 100072, China)
Abstract：Ti-Si composite ceramic coating containing ZnO whiskers was prepared by precursor conversion ceramic method (P D C). ZnO whiskers were added to the precursor of laser pyrolysis Ti-Si composite ceramic coating to enhance the corrosion the corrosion resistance, friction and wear resistance of Ti-Si composite ceramic coating. By means of scanning electron microsope ( SEM )，X-ray powder diffraction (X R D), reciprocating friction and wear tester, electrochemical workstation, and etc. The addition of ZnO whiskers had no effect on composition and chemical speciation of Ti-Si composite ceramic coating. But the addition of ZnO whiskers can improve Ti-Si composite ceramic coating* s anti-corrosion and anti-friction performance. Moreover, adding ZnO whiskers under high load can reduce the friction coefficient of Ti-Si composite ceramic coating. The Ti-Si composite ceramic coating obtained by adding ZnO whisker of 10% mass fraction under loads of 5 N and 7 N has 52% lower friction coefficient than steel -45. The addition of different mass fractions of ZnO whiskers has a great effect on the surface morjihology of composite ceramic coatings, and can improve the anti-corrosion and anti-friction performance of Ti-Si composite ceramic coating.
Keywords：laser pyrolysis；ceramic coating；ZnO whisker；corrosion protection；friction reduction
*国家自然科学基金资助项目（51805541,51575526)。
Fund： Surpported by National Natural Science Foundation of China( 51805541 ,51575526).
20201222收到初稿，20210130收到修改稿
36中国表面工程2021 年
〇刖3
随着自动化程度不断提高，机械设备的工作环 境愈发严苛，对金属零部件也提出更高的要求。性 能优异的陶瓷涂层，往往具有耐高温、耐磨减摩性 好、防腐能力强等特点，可使机械设备在恶劣工况下 服役的可靠性大大提高但陶瓷涂层也存在塑性差、易产生裂纹、接触强度较低等不足;4]，这在一 定程度上限制了陶瓷涂层的应用。
自 20 世纪 70 年代 VERBEEK:5：和 YAJIMA 等1>7]采用有机硅聚合物分别制备了 Si3N4+SiC及 SiC纤维，以有机聚合物为先驱体制备无机陶瓷的
新方法引起研究人员的高度重视，这一方法也逐渐 成为获取陶瓷涂层的研究热点[8]。进一步研究表 明，通过高温处理有机聚合物先驱体，在金属表面制 备陶瓷涂层是一种获得性能优异陶瓷涂层有效方
法[〜。先驱体转化陶瓷法（Precursor conversion ceramic，PDC)制备陶瓷涂层虽然有很多优点，但也存
在涂层易开裂，孔隙较多等问题。
在有机先驱体中加人填料，可以制备出性能优 异的陶瓷涂层[H M1]。刘洪丽等[12以聚硅氮烷作为 先驱体，以Si、M〇Si2为填料，利用裂解法制备陶瓷
涂层，裂解过程中发生了非晶物质晶态化的转变，先 驱体的裂解产率随着填料的含量增加有明显上升；GRE丨和ERNY等[141研究了添加活性填料对裂 解聚硅氧烷制备陶瓷涂层的影响，发现添加T i和 M〇Si2后，陶瓷涂层的弯曲强度可达330 MPa；赵吉
鑫等h5]研究了石墨烯、金属颗粒对激光裂解制备陶 瓷涂层的影响，发现在700 W激光功率条件下制备 的含N i复合陶瓷涂层和含C r复合陶瓷涂层与基体
的结合强度较高，摩擦学性能优异。
利用PDC法制备激光裂解Ti-S i复合陶瓷涂层
时往往由于激光裂解速度过快，使得制备的陶瓷涂
层容易出现孔隙率较大、裂纹等问题，加入活性填 料、制备复合陶瓷是解决问题的有效途径之一。本 文采用ZnO晶须作为添加剂，在钢基体表面制备复
合陶瓷涂层，表征了涂层表面形貌、元素相对含量及 物相结构，考察了复合陶瓷涂层的摩擦学行为，分析 了磨痕的表面形貌。
I试验准备
1.1主要材料和仪器
玛吉阿米的留言簿
山东优索化工科技有限公司生产的7_缩水甘 油氧丙基三甲氧基硅烷（KH560)，工业级；北京益
利精细化学品有限公司生产的钛酸四丁酯，化学纯；北京中科德通科技有限公司生产的氧化锌晶须，分 析纯。
E15B-980-IS27. 8半导体激光器，大族激光科 技产业有限公司；Nano NanoSEM50扫描电子显微 镜，美国FEI公司；DX-2700 X射线衍射仪，丹东方 圆仪器有限公司；MFT-R4000往复式摩擦磨损测试 仪，中科院兰州化学物理研究所；IM6电化学工作 站，德国Zahner公司。
1.2含Z n O晶须的Ti-S i复合陶瓷涂层制备
试验采用规格为15 mmxl5 mmx3 mm的45钢 作为金属基材，对金属基材表面用规格为P l〇〇〇的砂纸进行打磨，放入无水乙醇超声清洗5 min，放入 干燥箱干燥5 min。按质量比为1 :1.8分别精确称 取KH560和钛酸四丁酯，同时称取一定量ZnO晶须，先将Z n O晶须加人KH560中，并超声分散5 min，然后将钛酸四丁脂缓慢加入ZnO晶须和 KH560中，混合后超声分散10 min，获得含ZnO晶须的有机溶液。使用TBJR4000自动涂布机将含 ZnO晶须的有机溶液均匀涂布在处理好的金属基材 表面，之后将其置于80 t的恒温干燥箱中，固化 25 min，得到厚度为30~50 |xm的含ZnO晶须的Ti-S i有机膜。
采用氩气作为保护气体，将含ZnO晶须的Ti-Si 有机膜水平放置，使用E15B-980-IS27. 8半导体激 光器，将激光功率设置为600 W、激光波长980 nm、扫描速率14 mm/S、搭接率3%，使用连续激光“1”字型扫描1次，随后空冷至室温，可得激光裂解的含 ZnO晶须Ti-S i复合陶瓷涂层。
1.3含Z n O晶须的Ti-S i复合陶瓷涂层表征
采用Nano NanoSEM50扫描电子显微镜对含ZnO晶须的Ti-S i复合陶瓷涂层表面形貌进行了表 征，采用DX-2700 X射线衍射仪对含ZnO晶须的 Ti-S i复合陶瓷涂层进行了物相分析。为研究不同 质量分数ZnO晶须对Ti-S i复合陶瓷涂层的影响性 能，试验采用MFT-R4000往复式摩擦磨损测试仪对 其摩擦磨损性能进行了研究；为研究不同质量分数 ZnO晶须的Ti-S i复合陶瓷涂层的耐腐蚀性能，试验 采用IM6电化学工作站研究了其电化学性能。新语文活页
2结果与讨论
2.1 ZnO晶须对激光裂解制备复合陶瓷涂层的影响 2.1.1复合陶瓷涂层的表面形貌表征
添加ZnO晶须后，陶瓷涂层表面形貌出现明显 变化。不同质量分数ZnO晶须的复合陶瓷涂层的 SEM如图I 所示。
第1期王潇，等：Z n O晶须对激光裂解T i-S i复合陶瓷涂层结构和摩擦磨损及耐腐蚀性能的影响37
(a)0 wt%
(c)5 wt%(d) 10 wt%
(b) 1 wt%
图1含不同质量分数Z n()晶须的陶瓷涂层S E M形貌图
Fig. 1SEM charts of ceramic coatings containing (Afferent mass fractions of ZnO whiskers 从图l a和图l b可以看出，当ZnO晶须质量分
数为1%时，含Z n O晶须复合陶瓷涂层表面（图lb)
与没有添加ZnO晶须的陶瓷表面形貌没有明显变
化。从图l c和I d可以看出，当ZnO晶须质量分数
为5%时，涂层表面出现不规则絮状物质，可能为
ZnO晶须。在ZnO晶须质量分数为10%时，陶瓷涂
层表面出现不规则堆积的球状颗粒。
2. 1.2 X射线衍射物相分析
图2给出了含不同质量分数ZnO晶须的陶瓷
涂层的XRD图谱。从图2可以看出，所有涂层的
XRD曲线中均出现了 F e晶体的衍射峰，F e衍射峰
来自于45钢基体。同时，含质量分数5%和10% ZnO晶须的陶瓷涂层在20 = 31. 4°的位置出现了微 小强度的峰，该峰为ZnO晶须的特征峰。
2.2 Z nO晶须对陶瓷涂层摩擦学性能的影响
2.2. 1减摩抗磨性能
试验研究了含不同质量分数ZnO晶须的陶瓷 涂层的平均摩擦因数与试验载荷的关系，同时给出 了不同质量分数ZnO晶须的陶瓷涂层的磨损量与 试验载荷的关系，如图3所示。深圳长城光纤
由图3a可知，ZnO晶须质量分数为1%时陶瓷 涂层整体上表现出了较高的摩擦因数，但在载荷为
图2含不同质量分数Z n O晶须的陶瓷涂层的X R D图Fig. 2 XRD charts of ceramic coatings containing
different mass fractions of ZnO whiskers
5 N时均比45钢低28. 7%；含5%质量分数ZnO晶须的陶瓷涂层的摩擦因数在低载荷时比45钢低，但 是随着载荷增加，摩擦因数迅速上升，载荷为5 N和 7 N时，比45钢摩擦因数要高出很多;ZnO晶须质 量分数为10%时，摩擦因数反而降低，载荷为5 N和 7 N时均比45钢低52%。由图3b可知，载荷为1N 和3 N时，不同质量分数的ZnO晶须的陶瓷涂层磨 损量均略低于45钢；载荷为5 N和7 N时，
不同质
38中国表面王程2021 年
图3含不同质量分数Z nO晶须的陶瓷涂层的
平均摩擦因数和磨损量与试验载荷关系图
Fig. 3 Charts of average frictioij coefficient and wear amount of ceramic coatings containing different mass
fractions of ZnO whiskers
量分数的ZnO晶须的陶瓷涂层磨损量均高于45 钢。这说明在较低载荷时,ZnO晶须复合陶瓷涂层 的耐磨性优于45钢，而在较高载荷下则不如45钢。
图4给出了不同试验载荷条件下含5wt%ZnO 晶须陶瓷涂层摩擦因数随时间变化曲线。由图4可 以看出，含ZnO晶须陶瓷涂层摩擦因数随着试验载
图4含5wt%ZnO晶须陶瓷涂层摩擦因数随时间变化曲线 Fig. 4 Curve of friction coefficient of ceramic coatings
containing 5wt% ZnO whiskers with time 荷的增加呈逐渐增大的趋势。质量分数5%ZnO晶
须陶瓷涂层摩擦因数在载荷1N时摩擦因数先降低
再升高然后趋于稳定，载荷为3 N、5 N和7 N时，均
经历了先升高再下降然后趋于稳定。
2.2.2复合陶瓷涂层的表面磨痕分析
图5给出了含5%ZnO晶须复合陶瓷涂层的磨
损表面的SEM图，载荷分别为1N、3 N、5 N、7 N，由
图5可以看出，载荷为1N和3 N时，磨痕表面出现
一些裂纹和剥落，由此可推断磨损机理应主要以黏
着磨损为主；载荷为5 N时，开始出现明显的剥落，
载荷为7 N时现象更为明显，此时的磨损机理以黏
着磨损和磨粒磨损为主^
2.2.3电化学测试
试验分析了含不同质量分数ZnO晶须的陶瓷
涂层的电化学性能，极化曲线如图6所示。
由图6可知，ZnO质量分数为5%时，陶瓷涂层
自腐蚀电位（-0.408 V)略高于ZnO晶须质量分数
1%(-0.47 V)和质量分数10%(-0.447 V)时的陶
瓷涂层，抗腐蚀性最好。其原因可能是在激光裂解
后，含l%ZnO晶须的陶瓷涂层相对于含5%和10% ZnO晶须的陶瓷涂层表面更疏松，更容易被腐蚀，但
含10%ZnO晶须的陶瓷涂层在激光裂解过程中产
生了裂纹和孔隙等，使其自腐蚀电位低于含5%ZnO
晶须的陶瓷涂层，因此更容易发生腐蚀。
3结论
(1)添加ZnO晶须对激光裂解Ti-S i复合陶瓷 涂层的组成和化学价态没有影响，但对其表面致密
度有不同程度的影响。在ZnO晶须质量分数为1%
时，加入ZnO晶须的复合陶瓷涂层表面没有添加
ZnO晶须的相比没有明显变化，当ZnO晶须质量分
数为5%时，涂层表面出现不规则絮状物质，在ZnO
晶须质量分数为10%时，陶瓷涂层表面出现不规则
堆积的球状颗粒。
(2)添加ZnO晶须对激光裂解Ti-S i有机膜生 成的陶瓷涂层的减摩性能有改善，但对其抗磨性没
有明显提高。在较低载荷时添加ZnO晶须质量分
钟丽丽年龄
数为5%和10%能有效降低其摩擦因数和减少其磨
损量，此时主要发生黏着磨损；在较高载荷时添加
Z nO晶须质量分数为5%能有效降低其摩擦因数，
同时相对于没有添加Z n O晶须的复合陶瓷涂层可
以减少其磨损量，同时，添加ZnO晶须可以对Ti-Si
复合陶瓷涂层的防腐性能有略微改善，但改善不明 显，当添加质量分数5%Z n O晶须时所得的Ti-S i复
合陶瓷涂层防腐蚀性能最好。科利华电脑家庭教师
第1期王潇，等：Z n O晶须对激光裂解Ti-Si复合陶瓷涂层结构和摩擦磨损及耐腐蚀性能的影响39
(a) 1N(b)3N
(c)5N(d)7N
Fig-5
图5质量分数5%ZnO晶须陶瓷涂层在不同载荷下磨痕S E M图
SEM charts of wear marks of 5%ZnO whisker ceramic coatings under different loads
图6含不同质量分数Z n O晶须的陶瓷涂层极化曲线 Fig. 6 Polarization curves of ceramic coatings containing different mass fractions of ZnO whiskers
参考文献
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豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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