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，對鋁及其合金進(jìn)行表面處理，從而隔絕基材與環(huán)境，對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)（陽極氧化、硬質(zhì)陽極氧化、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，傳統(tǒng)技術(shù)的處理時間較長，成為影響產(chǎn)率的較大瓶頸，例如硬質(zhì)陽極氧化，30微米厚度的氧化膜大約需要40~60分鐘的處理時間。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的處理流程簡單，一般不需要酸洗/表調(diào)流程。全流程處理時間約15分鐘，其中ECC的時間約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間，提高了生產(chǎn)效率。

圖2 ECC處理流程

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0.8?m。通過微觀硬度儀測試，ECC涂層的微觀硬度為600~1200Hv。

圖3 ECC表面形態(tài)

3.2 性能測試

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

（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，隨后立即放入5°C的水中迅速冷卻，再按照GB/T 9286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型彎曲儀來測試涂層的T型彎曲性能，檢查涂層有無開裂或脫落。經(jīng)測試，ECC涂層在不同基材上可達(dá)到1~2T。

（3）耐磨性測試

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

圖5 泰氏挺度測試結(jié)果

參照GB/T 10125-1997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，測試板均劃線穿透ECC膜層，試驗(yàn)后檢測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）測試結(jié)果

（5）海水腐蝕測試

鋁工件在ECC處理后，噴涂面漆并做劃痕處理；測試使用傳統(tǒng)的六價(jià)鉻鈍化工藝作為對比，在鈍化后噴涂底漆和面漆也做劃痕處理。兩個工件在涂覆完畢后，浸沒在海水中六個月時間，然后取出評價(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。

圖6 六個月海水腐蝕測試結(jié)果 （左：鉻鈍化+底漆+面漆；右：ECC+面漆）

（6）極端腐蝕環(huán)境測試

針對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)耐蝕性測試方法及結(jié)果。

表2 極端腐蝕環(huán)境測試結(jié)果

（7）摩擦學(xué)特性測試

使用Pin-on-disk方法對ECC在無潤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)行了對比測試，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。

表3 ECC與DLC涂層在無潤滑劑條件下摩擦系數(shù)比較

使用Cameron-Plint方法對ECC在加溫有潤滑劑條件下的摩擦學(xué)特性進(jìn)行了研究，與前面的測試一樣，DLC涂層依然作為參照。測試結(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涂層在有潤滑劑加溫條件下摩擦系數(shù)比較

4. 結(jié)論

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。

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)（陽極氧化、硬質(zhì)陽極氧化、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，在不同條件下的摩擦學(xué)還測試表明，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。