文|柳八原

编辑|柳八原

【资料图】

近年来，针对各种工程应用，开发具有优化摩擦性能的先进涂层引起了广泛的关注。在这些涂层中，纳米晶材料由于其独特的力学和摩擦学特性而备受关注。纳米晶涂层，如Ni/TiO，已经显示出提高耐磨性和降低摩擦的巨大潜力。

热处理是一种常用的技术，用于改变涂层的显微结构和性能。它通过对涂层材料进行控制的加热和冷却过程，诱导相变、晶粒生长和残余应力的消除

了解热处理对纳米晶涂层摩擦行为的影响，对于调控其摩擦学特性以满足特定应用需求至关重要。通过调节涂层内的显微结构和残余应力，热处理有可能提高涂层的耐磨性，降低摩擦系数，并增加其承载能力。

让我们一起来探究热处理对纳米晶Ni/TiO涂层摩擦性能的影响，分析不同热处理温度引起的显微结构、残余应力和力学性能的变化。通过在不同载荷条件下进行摩擦和磨损测试，评估涂层的摩擦行为。

电沉积

为制备纳米晶金属陶瓷涂层，我们使用含有锐钛矿型TiO的瓦特镍浴溶液，在纳米颗粒的尺寸为2纳米的情况下进行沉积。浴液的组成和氧化物颗粒的体积（20g/L）是根据之前的研究得出的。

在电沉积过程中，我们选用了99.5%纯镍板作为阳极，并使用尺寸为1020.25 mm×4 mm×20 mm的AISI10碳钢作为阴极。阳极和阴极之间的距离保持在约2厘米。整个电沉积过程在50°C下的250 mL烧杯中进行，电流密度为5A/dm²，同时以250 rpm的磁力搅拌30分钟，以防止颗粒团聚。这些参数的选择是为了符合先前研究中优化的值。

我们使用了40nm锐钛矿型TiO2纳米粉末，该粉末从Good-fellow（英国剑桥）获得。在沉积过程之前，我们使用砂纸（240、400、600和1200粒度）处理钢基板，并使用颗粒浸渍载体浆抛光至1 μm。

然后用丙酮清洗样品，并用去离子水进行冲洗。在涂层过程完成后，我们从电池中取出阴极，并再次用去离子水进行冲洗。

硬度

使用Leitz显微硬度计对涂层横截面进行显微硬度测试，以使用施加0.1 kg负载30 s记录十个压痕。随后，使用公式1确定涂层的平均维氏硬度值。

热处理

为了进行镍/钛2涂层的热处理，在空气中使用了配备温度控制系统的感应炉。每个样品都连接了K型热电偶，以监测整个加热和冷却过程中的温度变化。

根据表1中列出的条件，进行了热处理。为确保发生重结晶，选择了表1中列出的退火温度范围，即320至380°C之间。将样品保持在处理温度下30分钟，然后断开电源，让样品在空气中自然冷却至室温。

通过这种热处理过程，我们能够引发镍/钛2涂层的重结晶现象。这种重结晶过程对于改善涂层的晶体结构和性能非常重要。

通过选择适当的处理温度和保持时间，我们能够实现对涂层的控制和优化，从而获得更好的性能和特性。这种热处理方法提供了一种有效的方式，可以进一步研究和开发镍/钛2涂层的热稳定性和结构演变。

磨损测试

为确保涂层磨损测试的可重复性，我们对三个试样进行了热处理，并在每种测试条件下进行了测试。施加的载荷范围为10、25和40 N。

磨损测试使用带有直径为3毫米的金刚石销的板进行，该销钉安装在90°锥体中。销在涂层试样上进行往复滑动，并通过监测磨损疤痕深度的变化来作为时间的函数来测量磨损性能，测试时间为30分钟。

测试是在非润滑条件下进行的。我们还在热处理前后测量了磨损疤痕深度的变化。为了收集测试数据，我们采用了16位、100 kHz的数据采集系统。

微观结构表征

为了对涂层进行形态和磨损疤痕的深度进行检查，我们使用了Leitz光学显微镜和牛津扫描电子显微镜（SEM）。这些显微镜技术能够提供对涂层表面的高分辨率观察和分析。

为了评估涂层中纳米颗粒的TiO2浓度，我们采用了能量色散X射线光谱（EDS）技术。通过对沉积在涂层中的纳米颗粒进行元素分析，我们能够确定TiO2的浓度。

此外，我们还使用了配备Cu-Kα辐射的布鲁克X射线衍射仪（XRD）来研究热处理对涂层晶体结构的影响。在XRD分析中，我们使用了40 kV的电压、40 mA的电流，并采用了0.05°的步长。我们在2θ范围为10至100°之间进行了测量，并每步测量时间为1秒。

表面形貌和微观结构

通过扫描电子显微镜（SEM）对电沉积涂层进行分析，我们揭示了热处理涂层与沉积涂层相比在表面形貌上的差异。

下图显示了嵌入TiO2的纳米晶Ni/TiO2涂层的微观结构和表面形貌。与之前研究中讨论的纯镍涂层的光滑表面特性相比，可以明显看到进入涂层的纳米颗粒改变了表面形态。

在涂层表面观察到球形的凹凸不平，并且存在几个区域显示出颗粒团聚的团簇。这些颗粒簇的存在改变了涂层表面的形态，并可能限制了镍晶体的生长。

尽管在电沉积过程中颗粒团聚是可能的，但根据之前的研究，我们推测观察到的团聚很可能发生在沉积前的粉末中。

通过SEM分析，我们能够观察到涂层表面的微观结构，并发现纳米颗粒的存在对表面形态产生了明显影响。

横截面的SEM图像展示了镍/二氧化钛的纳米复合涂层的结构。图1c显示了球形颗粒在整个涂层厚度上均匀分布的证据。通过使用能量色散X射线光谱（EDS）对横截面进行化学成分分析，我们确认了纳米级TiO2颗粒的存在，这可以从Ti峰和较高的氧含量得出结论。在涂层横截面中，TiO2的含量约为16.4重量%。

我们还研究了热处理温度对镍/二氧化钛涂层表面形貌的影响。从这些图中可以观察到随着热处理温度的升高，颗粒团聚现象变得不那么明显。例如，当涂层被热处理至200°C时，可以看到表面存在颗粒团簇和晶界区域。

此外，还观察到了晶粒生长的迹象，这将在后续讨论中进一步探讨。当退火温度进一步升高至400°C时，与沉积涂层相比，表面形貌发生了显著变化，团聚现象减弱。退火温度的升高导致晶粒的粗化，并导致纳米颗粒偏聚到晶界区域。

通过这些分析结果，我们能够了解热处理对镍/二氧化钛涂层表面形貌的影响。随着温度的升高，涂层表面的团聚现象减弱，晶粒粗化，并且纳米颗粒在晶界区域的偏聚变得更加显著。

晶体结构的XRD分析

通过X射线衍射（XRD）分析对Ni/TiO2涂层进行了研究，以确定热处理对衍射峰的任何相变或修饰的影响。我们观察到在44.3°处的峰强度似乎降低，并且变得更加尖锐。同时，在78°（220）处的峰强度似乎增加，类似的增加也观察到在92.4°和97.4°处的峰值中。纳米级TiO2的峰值在25°处可见，并且随着退火温度升高至400°C，峰值的强度降低。

根据XRD分析结果，涂层行为的变化可以归因于几个因素。首先，XRD峰的宽度证实了涂层中存在纳米级TiO2颗粒。峰宽度的增加表明了运动学散射的存在，当材料的微晶尺寸变小且数量足够大时，晶格上的化学变化会改变XRD光谱。纳米级TiO2颗粒的存在也可能导致涂层中的微小残余应力，有助于提高涂层的硬度。

我们观察到热处理涂层光谱的改变是由于涂层内部发生的微观结构变化引起的。随着晶粒的生长，晶格内的残余应力减少，从而导致光谱的改变。这表明热处理导致涂层中固有微观结构的变化。

通过XRD分析，我们能够揭示热处理对Ni/TiO2涂层的影响。涂层中纳米颗粒的存在引起了XRD峰的变化，而热处理导致了涂层内部微观结构的变化。

涂层的滑动磨损性能

对Ni/TiO2涂层进行热处理后，评估了其在摩擦学行为方面的影响。涂层使用往复式销对板进行了磨损测试，并绘制了Ni/TiO2涂层的磨损曲线，其中磨损是时间和负载的函数。

从图中可以观察到Ni/TiO2涂层的磨损过程分为两个阶段：首先是由于沉积涂层表面形貌的影响而加速磨损，然后是第二阶段，该阶段在约400秒后开始，并可描述为稳态磨损。

磨损率的变化可以归因于两个主要因素。首先，往复销的运动改变了表面粗糙度的程度。随着表面粗糙度的减小，磨损率预计会降低。在热处理后，涂层的表面形貌发生改变，可能导致表面粗糙度的减小，从而减缓了磨损的速率。

其次，施加的压缩载荷在测试过程中对涂层产生了加工硬化效应。随着涂层硬度的增加，其耐磨性也会增加。热处理可能导致涂层的硬度增加，从而提高了其耐磨性。

热处理对Ni/TiO2涂层的摩擦学行为产生了影响，通过改变表面形貌和提高涂层的硬度，热处理有望减缓磨损速率并提高耐磨性能。

经过实验，我们总结了不同退火温度下磨损疤痕深度的比较，表明随着退火温度的升高，当使用11 N载荷时，磨损疤痕的深度从沉积涂层的82 μm增加到退火至400°C的涂层的10 μm。类似的行为也观察到在使用25 N和40 N载荷测试的涂层中。

当研究载荷的影响时，发现随着载荷的增加，磨损疤痕的深度也增加。涂层的耐磨性下降可以归因于涂层晶粒尺寸和纳米颗粒行为的变化。

晶粒尺寸的增加会导致材料的延展性增加，因为位错运动变得更容易。这些变化对涂层的机械性能有净影响，表现为Ni/TiO2涂层的屈服强度降低，反映为硬度和耐磨性的降低。

热处理温度对磨损率的影响

热处理温度对作为载荷函数评估的涂层磨损率有显著影响。当对沉积涂层进行测试时，发现涂层的磨损率随着载荷的增加而增加，从0 N时的0.10 μm/s增加到80 N时的8.40 μm/s。

当将涂层热处理至200°C时，同样观察到磨损率随着载荷的增加而增加，从0 N时的0.10 μm/s增加到80 N时的75.40 μm/s。然而，当将热处理至200°C的涂层的磨损率与沉积涂层进行比较时，发现热处理涂层在所有测试的三种载荷下都表现出较低的磨损率。

在热处理过程中，涂层内的残余微应力被消除，这预计会增加涂层的延展性。同时，在试验载荷的作用下，涂层可能会经历加工硬化，这略微增加了涂层的耐磨性并降低了磨损率。

当退火温度进一步升高至400°C时，磨损率显著增加，从0 N时的4.10 μm/s增加到80 N时的12.40 μm/s。这些磨损率的变化归因于在较高热处理温度下，发生的微观结构变化，导致涂层的屈服强度降低。

热处理过程中消除的残余微应力提高了涂层的延展性，并略微增加了耐磨性，从而降低了磨损率。然而，随着退火温度进一步升高，涂层的磨损率显著增加，这可以归因于涂层的微观结构变化导致屈服强度降低。

实验结果表明，热处理温度对Ni/TiO涂层的表面形貌和微观结构有显著影响。在低温热处理下，涂层表面出现了颗粒团簇和晶粒生长现象，而高温热处理导致涂层的晶粒粗化和纳米颗粒的偏析。XRD分析显示，热处理引起了涂层中晶格的改变和残余应力的释放。

通过摩擦磨损测试，发现热处理对涂层的摩擦性能产生了显著影响。在低温热处理下，涂层表现出较低的摩擦系数和磨损率，这可以归因于涂层的较高硬度和表面形貌的改善。

然而，随着热处理温度的升高，涂层的摩擦系数和磨损率逐渐增加，这可能是由于晶粒尺寸的增大和屈服强度的降低所导致。

热处理对纳米晶Ni/TiO摩擦性能的影响是一个复杂的过程，涉及到涂层的微观结构、晶格变化和残余应力的演化。