中南大學/上海交大頂刊綜述：輕合金表面耐磨等離子體電解氧化涂層，從工藝到微觀結構的全流程設計策略

共同第一作者：魏劍磊、陳平虎

共同通訊作者：黃千里、楊超

通訊單位：中南大學、上海交通大學

DOI：10.1016/j.pmatsci.2026.101709

近日，中南大學黃千里副教授、上海交通大學材料學院輕合金中心楊超博士后合作在《Progress in Materials Science》上發表重要綜述。文章系統提出了面向鋁、鈦、鎂三大輕合金的耐磨等離子體電解氧化（PEO）涂層的全流程設計策略，從處理前、處理中和處理后三個階段，深入剖析了調控涂層微觀結構、提升耐磨性能的關鍵機制與技術路徑。

背景介紹

輕合金（Al、Ti、Mg）在航空航天、汽車和生物醫療等領域需求迫切，但其低耐磨性嚴重制約服役壽命。現有表面技術各有局限：離子注入層極薄（<100 nm），承載能力低；物理氣相沉積（PVD）涂層結合力弱、厚度小；熱噴涂易引起熱變形和界面剝離。PEO技術源于1930年代的陽極火花放電，歷經“電子雪崩”模型、雙極脈沖模式等理論突破，并于2000年后實現商業化，可在輕合金表面原位生長冶金結合的陶瓷涂層，從而為合金基底提供耐腐蝕與耐磨損等防護功能。然而，傳統PEO涂層主要由基底金屬氧化物（如Al2O3、TiO2、MgO）構成，具有高脆性/低硬度/摩擦系數較高（0.50–0.85）的缺點。此外，PEO涂層普遍存在高表面粗糙度、微孔和微裂紋，造成疏松外層易早期剝落的問題。總體而言，上述原因嚴重制約PEO涂層的耐磨性能。（圖1a）。因此，文章通過“處理前—處理中—處理后”的全流程設計策略，以構建清晰的結構-耐磨性關系，并提出提高金屬襯底上PEO涂層耐磨性的途徑，以勾勒出未來的研究方向（圖1b）。

圖1 PEO涂層的典型微觀組織（a）與耐磨PEO涂層的構建策略（b）

本文亮點

本綜述系統梳理了PEO涂層微觀結構與耐磨性能的本征關聯，提出了“處理前—處理中—處理后”三位一體的全流程協同設計理念，突破了以往單一參數優化的局限。并且，文章針對Al、Ti、Mg三種合金基底的特性差異，分別指明了最優的耐磨涂層構建路徑。

圖文解析

（1）Al基PEO涂層：硬質基體的致密化與自潤滑改性

Al基PEO涂層自身富含α-Al2O3（硬度~26 GPa）和γ-Al2O3（~17 GPa），具備高硬度基礎。但傳統涂層脆性大、摩擦系數高，主要瓶頸在于外層多孔結構和缺乏潤滑功能。全流程調控策略包括：

·處理前策略（圖2）：通過表面機械研磨或噴丸引入高密度晶界和位錯，增強基體表面活性，從而加速PEO反應并促進α-Al2O3形核（例如SMAT處理后的AA1230合金涂層厚度與硬度均提升）。同時，避免使用含Si、Mn、Zn的合金，因其會抑制α-Al2O3相變并引入脆性相（如A356合金中的共晶Si導致涂層不均勻開裂）。預涂覆涂層可以緩解基材成分對后續PEO層形成的抑制作用。通過戰略性地引入特定的化學成分，可以調節微弧放電行為，以優化涂層的微觀結構，并顯著提高耐磨性。

圖2 通過處理前策略（基底選擇、物理預處理、預沉積）提升Al基PEO涂層耐磨性

·處理中策略（圖3-4）：采用雙極脈沖模式并控制陽極/陰極輸入比，誘導“軟火花”放電，降低單次放電能量，使涂層從粗糙多孔變為致密均勻（例如在2024 Al合金上采用雙極脈沖，疏松外層厚度比顯著下降）。通過提高頻率、降低占空比和縮短處理時間，可進一步減小放電通道尺寸，抑制裂紋。在電解液中添加可溶性添加劑，利用等離子體熱化學反應原位生成低剪切強度的潤滑相（如Ce(Ac)3生成準二維CePO4，摩擦系數降至0.15以下）或增韌相（如K2ZrF6生成t-ZrO2，通過應力誘導相變抑制裂紋擴展）。不可溶性顆粒（如石墨、h-BN）可被電泳作用嵌入并填充孔隙，但需控制濃度以防團聚。

圖3 通過處理中策略（電工藝參數調控）提升Al基PEO涂層耐磨性

圖4 通過處理中策略（電解液成分調節）提升Al基PEO涂層耐磨性

·處理后策略（圖5）：利用多孔外層作為機械互鎖錨點，通過浸漬、噴涂或水熱合成將固體潤滑劑（PTFE、MoS2、DLC）復合到涂層表面和孔道中，形成“硬底+軟頂”結構（例如PEO/PTFE復合涂層磨損率低至7.5×10-7 mm3/N·m）。也可機械拋光去除疏松外層，直接暴露致密內層以降低摩擦系數。

圖5 通過處理后策略提升Al基PEO涂層耐磨性

（2）Ti基PEO涂層：軟TiO2基體的硬質/潤滑相原位增強

Ti基PEO涂層以TiO2（硬度僅6–11 GPa）為主，自身耐磨不足。核心策略是引入外源性硬質或潤滑相：

·處理前策略（圖6）：選用含Al、Zr、Nb的Ti合金（如Ti6Al4V、Ti-39Nb-6Zr），利用基體合金元素在PEO過程中原位氧化生成Al2O3、ZrO2、Nb2O5等硬質相。通過磁控濺射或冷噴涂預沉積Al層，后續PEO轉化為α-Al2O3硬質層（如冷噴涂Al后PEO處理，硬度顯著提升）。

圖6 通過處理前策略（基底選擇、物理預處理、預沉積）提升Ti基PEO涂層耐磨性

·處理中策略（圖7-8）：選擇鋁酸鹽電解液，促進Al2O3相生成并抑制軟質Al2TiO5相。通過可溶性添加劑（如Na2S+Na2MoO4）在等離子體高溫區發生熱化學反應，原位生成MoS2/TiO2納米復合涂層，形成非共格強界面以增強結合，且摩擦系數顯著降低（如MoS2/TiO2涂層COF≈0.2）。同時添加Ce(Ac)3和K2ZrF6，可同步生成CePO4潤滑相和ZrO2增強相，實現自潤滑與承載協同。不可溶性硬質顆粒（如Al2O3、ZrO2）通過電泳遷移嵌入涂層，填充放電孔道并作為“微滾珠”改變磨損機制（例如添加ZrO2顆粒后磨損率降低42%）。通過優化電參數（高頻率、適當占空比）控制放電能量，避免顆粒團聚和過度燒蝕。

圖7 通過處理中策略（電工藝參數調控）提升Ti基PEO涂層耐磨性

圖8 通過處理中策略（電解液成分調節）提升Ti基PEO涂層耐磨性

·處理后策略：機械拋光去除疏松多孔的外層，暴露致密內層以降低COF和磨損率。復合DLC、PTFE或無機釉層，利用PEO粗糙表面增強頂層結合力，結合頂層自身潤滑/硬質特性，顯著提升涂層耐磨性（如PEO/DLC復合涂層磨損率降低三個數量級）。

（3）Mg基PEO涂層：低硬度基體上的骨架構建與協同潤滑

MgO硬度最低（~9.2 GPa），單獨依賴MgO無法獲得高耐磨性。關鍵路徑是先構建穩定的硬質陶瓷骨架，再輔以潤滑相：

·處理前策略（圖9）：優先選用含Al、Zn的AZ系列鎂合金，利用Al在PEO中反應生成MgAl2O4尖晶石（硬度遠高于MgO）。通過激光表面織構或等通道轉角擠壓（ECAP）細化晶粒，提高基體反應活性并促進致密涂層生長（如激光表面織構后PEO涂層致密度和界面結合顯著增強）。采用HF酸預處理，在基體表面形成MgF2層，降低擊穿電壓，減少放電缺陷（如HF+超聲預處理后涂層均勻性大幅提升）。

圖9 通過處理前策略（基底選擇、物理預處理、預沉積）提升Mg基PEO涂層耐磨性

·處理中策略（圖10-11）：調整電源模式、電壓/電流密度值、頻率及占空比，促進涂層的致密化并提高硬質相的占比。優選鋁酸鹽電解液以形成MgAl2O4骨架，其效果優于硅酸鹽（Mg2SiO4）和磷酸鹽（Mg3(PO4)2），并形成Al2O3硬質相。添加可溶性K2ZrF6，在放電通道中原位生成納米ZrO2和Mg2Zr5O12增強相，同時引入氟離子促進致密化。在磷酸鹽中添加可溶性的鋅原位生成具有減摩作用Zn3(PO4)2。利用有機添加劑（甘油、乙二醇）調控電解液粘度和放電行為，抑制劇烈火花，減小孔隙尺寸。不可溶性潤滑顆粒（石墨、MoS2）嵌入涂層提供減摩作用，可進一步與硬質骨架配合使用（如石墨+ZrO2共摻雜，磨損率降低75%以上）。

圖10 通過處理中策略（電工藝參數調控）提升Mg基PEO涂層耐磨性

圖11 通過處理中策略（電解液成分調節）提升Mg基PEO涂層耐磨性

·處理后策略：利用PEO涂層的多孔外層作為儲油/儲潤滑劑層，通過浸漬或噴涂填充PTFE、環氧樹脂或固體潤滑劑，形成復合涂層（如PEO/PTFE復合涂層磨損率降低99%，達到7.81×10?? mm3/N·m）。環氧樹脂還可提高涂層塑性指數和斷裂韌性，抵抗塑性變形。

（4）PEO涂層vs. PVD/ED涂層：優勢與不足

文章系統對比了PEO涂層與物理氣相沉積（PVD）、電沉積（ED）涂層的性能（圖12）：

優勢總結：相比于PVD涂層，PEO涂層最大的優勢在于厚度大、結合強度高（冶金結合），因而在長期磨損服役中具有更長的壽命。相比于ED涂層，優化后的PEO涂層磨損率更低、環境友好（不含六價鉻等有毒物質）。

不足與局限：PEO涂層的主要缺點包括：①表面粗糙度較高（Ra可達數微米），對需要超高光潔度的應用場景需后處理；②可能降低基體的疲勞性能，這是PEO涂層在動態載荷部件應用中需要重點關注的問題。

圖12 PEO、PVD、ED涂層對比：厚度（a）、硬度（b）、摩擦系數（c）、磨損率（d）

總結與展望

（1）總結

本綜述系統總結了PEO涂層耐磨性能優化的全流程設計策略，揭示了不同輕合金基體下的共性規律與個性差異。

共性規律：PEO涂層普遍具有“致密內層+多孔外層”的雙層結構。針對外層，有三種通用強化策略：①外層強化（通過前處理、電參數調控和電解液設計，提高外層致密度和厚度，并原位生成硬質/潤滑相）；②外層復合（利用多孔結構浸漬潤滑相，形成復合涂層）；③外層去除（機械拋光去除疏松外層，暴露致密內層）。其中，可溶性添加劑的原位相生成和后處理復合涂層是提升耐磨性能最有效的兩條途徑。

個性差異：Al基：基體自帶硬質Al2O3，重點在于增厚、致密化、降低粗糙度以及引入潤滑相。Ti基：TiO2硬度偏低，需要通過引入硬質或潤滑相來顯著提升耐磨性。Mg基：MgO硬度最低，必須先構建穩定的高硬度陶瓷骨架，再輔以潤滑相實現協同減摩。

（2）展望

• 結合先進表征與計算模擬，揭示涂層生長與失效機制。

• 發展原位摩擦相工程，在涂層中直接生成優異潤滑或強化相。

• 設計梯度結構、晶態-非晶復合結構等強韌化涂層。

• 實現無機/有機復合涂層的一步法制備。

• 探索PEO涂層在高溫、高載、腐蝕等極端環境下的服役行為。

作者介紹

第一作者1：魏劍磊，中南大學粉末冶金研究院碩士研究生，主要研究方向為等離子體電解氧化（PEO）減摩耐磨涂層。

第一作者2：陳平虎，現任南華大學機械工程學院講師、碩士生導師，主要從事空天用輕合金凝固成形制造與表面防護等方面的研究工作。以第一作者/通訊作者身份在Progress in Materials Science、Additive Manufacturing、Transactions of Nonferrous Metals Society of China等期刊發表學術論文20余篇。兼任《Corrosion Communication》、《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》、《中國腐蝕與防護學報》，《中國有色金屬學報》等期刊青年編委，擔任《Corrosion Science》、《Surface & coating Technology》、《Surfaces and Interfaces》等期刊評審專家，受邀在國內外多個學術會議做特邀報告。

通訊作者1：黃千里，現任中南大學粉末冶金研究院副教授、博士生導師，主要研究方向為等離子體電解氧化（PEO）防護性（腐蝕防護、耐磨減摩等）與功能性（激光吸收/防護、生物醫用等）涂層。入選美國斯坦福大學全球前2%頂尖科學家榜單（2023-2025）、中國科協青年人才托舉工程、湖南省青B，主持國家自然科學基金、湖南省重點領域研發計劃等多項科研課題。以第一/通訊作者身份在Progress in Materials Science、Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials、Bioactive Materials等國際知名期刊發表SCI論文50余篇，引用次數3500余次，H因子38（Google Scholar）。應邀編寫專著1章，授權國家發明專利10余項。長期擔任Advanced Functional Materials等數十種國內外知名期刊的論文評閱專家。

通訊作者2：楊超，上海交通大學材料學院曾小勤教授團隊博士后，主要從事不銹鎂合金設計開發及其在海洋裝備等領域的應用研究。入選國家資助博士后研究人員計劃，上海市“超級博士后”激勵計劃。近年來主持國家自然科學基金青年科學基金、中國博士后科學基金特別資助及面上項目、國（境）外交流項目、上海市閔行區“揭榜掛帥”項目等12項課題。相關研究成果以第一或通訊作者在Progress in Materials Science、Materials Science & Engineering R-Reports、Corrosion Science、Journal of Materials Science & Technology、Journal of Magnesium and Alloys、Chemical Engineering Journal等國際權威學術期刊發表SCI論文30余篇，其中ESI熱點論文1篇，ESI高被引論文6篇，封面論文2篇，授權中國發明專利13項。擔任《Exploration》，《Rare Metals》，《Corrosion Communication》，《中國腐蝕與防護學報》，《稀有金屬》等期刊青年編委，受邀在國內外多個學術會議做邀請和口頭報告。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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