摘要：自蔓延高温通常约为1000℃，超过铝合金筒的可承受温度502~638℃，对铝合金基体造成热损伤，而Si、Ti与Mo作为添加相，可通过活化晶格和润湿界面来降低自蔓延铝热反应温度。本文采用低温自蔓延技术制备小内径的铝合金管内壁耐磨涂层，探讨了添加相（Si、Ti与M

自蔓延高温通常约为1000℃，超过铝合金筒的可承受温度502~638℃，对铝合金基体造成热损伤，而Si、Ti与Mo作为添加相，可通过活化晶格和润湿界面来降低自蔓延铝热反应温度。本文采用低温自蔓延技术制备小内径的铝合金管内壁耐磨涂层，探讨了添加相（Si、Ti与Mo）对降低自蔓延铝热反应体系温度的影响。利用正交试验确定了铝热剂、添加相最佳配比与冷却压力等工艺参数，研究了添加相的降温机理。结果表明：传统铝热反应过程释放热量较大，加入Si、Ti添加相可以降低反应温度，会减缓反应剧烈程度，甚至抑制反应的进行，加入适量Mo时会使铝热反应重新发生。加入全部添加相的自蔓延反应体系的放热反应温度较铝热反应温度降低了100℃左右且高温失重最少，为1.33%。最优配比为：冷却气体压力为0.2MPa，添加相质量分数为6%，铝热剂质量分数为94%。

铝合金作动筒是飞机装备液压系统的主要执行附件之一，对飞机轮舱门或减速板收放等性能有着显著的影响。目前作动筒内壁常采用阳极氧化耐磨涂层技术防护，但阳极化涂层厚度较薄，在重载、高频的苛刻工况下服役，常导致作动筒内壁涂层划伤而尺寸失配。阳极化涂层属于铝合金基体自生长的氧化铝涂层，一旦磨损或划伤，再修复去除涂层后铝合金筒的内径尺寸变大而无法再制造利用。

自蔓延高温合成技术（self-propagating high temperature synthesis，SHS）是通过外部热源引发强放热反应体系发生一定范围内的化学反应，产生可以传递至整个反应体系的燃烧波，燃烧波通过蔓延反应生成所需材料。自蔓延高温合成技术具有所需能量少、效率高、反应快、制备产物纯度高、材料来源广及环保节能等优点。

1 实验内容

1.1 实验原料

本实验选用Ø35mm×3mm×300mm的LY12CZ（2A12）铝合金管为基体，铝合金管为基体，主要化学成分如表1所示。

表1 2A12铝合金化学成分

为降低铝热反应温度与剧烈程度，提高制备得到涂层的致密度，设计的自蔓延燃烧粉末体系为铝热剂Al、Fe2O3，作为降温剂、助熔剂与黏结剂的添加相Si、Ti与Mo，试验原料具体见表2。

表2 试验原料

利用哈尔滨工程大学自研的离心法自蔓延工艺设备（图 1）制备内壁防护涂层，试验工艺参数见表3。

图1 自蔓延设备外观

表3 离心自蔓延法工艺参数

1.2 实验方法

1）将自蔓延体系粉料按照设计比例混合，之后对粉料进行研磨，研磨时间为2h，将4种配比的自蔓延粉末装在坩埚中放入1000℃的高温炉保温15min，引燃SHS反应后观察宏观产物。管筒件自蔓延高温合成成型涂层技术流程如图2所示。

图2 管筒件自蔓延高温合成成型涂层技术流程

2）利用热分析仪绘制出高温DSC与TG曲线，温度参数设置25~1000℃，温度上升速率10℃/min，通过对曲线的分析来研究不同比例的自蔓延粉末体系的热效应与反应过程中的相态变化，以探究其高温燃烧性能。4种自蔓延粉体材料如表4所示。

表4 4种自蔓延体系的粉体配比（质量分数为X%）

3）选择铝热剂（Al-Fe2O3）与添加剂（Si、Ti、Mo）的成分配比以及冷却气体压力3个因素来优化正交试验，每个因素分别选取3个水平。根据L9（33）正交表，采用3因素3水平的极差法正交优化设计，研究3个影响因素在反应过程中对基体温度的影响为最小时的最优匹配。正交试验因素与水平表如表5所示。

表5 试验因素与水平表

2 结果与分析

2.1 低温自蔓延燃烧宏观形貌

图3为不同添加相制备的低温自蔓延粉末燃烧的宏观形貌。将铝热剂在坩埚中混合均匀后，形成了如图3（a）所示的涂层。由图中可以看出，坩埚中产物炸裂、断开，这可能是因为1000℃下铝热剂反应非常剧烈所致。图3（a）中反应后的涂层有一部分比较均匀，有一部分含有球状的或者其他不规则形状的突起，涂层表面比较粗糙。

图3 低温自蔓延粉末燃烧宏观形貌

Al+Fe2O3+Si混合均匀后的粉体，形成了如图3（b）所示的涂层。图中可以看出，坩埚中产物只是形成裂纹，没有完全断开，说明1000℃下，加入Si的粉体，反应剧烈程度有所下降。这可能是因为加入Si后，由于Si良好的润湿性，使粉体混合更均匀，降低了粉体反应的熔点，因此降低了其反应的剧烈程度。同时，涂层上分布有球状的或者其他不规则的突起，且分布不均匀，这导致涂层表面比较粗糙。这些突起可能是由反应后的产物及其氧化物（Fe2O3、Fe3O4等）或者混合不均匀的一些SiO2附着在涂层表面形成的。

在第2种配比的条件下继续加入降温剂Ti，结果如图3（c）所示，只在表层发生烧结反应，没有发生铝热反应。说明同时加入的Si与Ti粉提高了铝热反应的发生难度，抑制了反应的发生。

Al+Fe2O3+Si+Ti+Mo混合均匀后的粉体，铝热反应重新发生，形成了如图3（d）所示的涂层。图中可以看出，坩埚中产物也只是形成裂纹，没有完全断开，且相较于图3（b）中的裂纹有所缩短，说明此粉体在1000℃下，较只加入Si的粉体，反应剧烈程度又有所下降。

2.2 低温自蔓延DSC分析

图4为4种配比自蔓延粉末DSC曲线。图4（a）为Al+Fe2O3粉末的热分析曲线，600~700℃内，DSC曲线上出现一个明显的吸热峰，分析是由于铝热剂熔化吸热造成的。在1000℃左右出现一个明显的放热峰，分析是由于熔化后的铝热剂反应，生成单质Fe和Al2O3时造成的。DSC曲线在800~1000℃下降很迅速，说明铝热剂在此温度下反应相当剧烈。粉体在1000℃才发生反应，说明此粉体反应所需要的能量较多。

图4 4种配比自蔓延粉末DSC曲线

图4（b）为Al+Fe2O3+Si粉末热分析曲线，吸热峰较不含添加相的铝热剂反应的吸热峰明显下降，这可能是加入的Si良好的润湿作用，提高铝合金基体界面流动性及铺展润湿性，降低了粉体熔化所需要的能量，也降低了熔化时的剧烈程度。

图4（c）为Al+Fe2O3+Si+Ti粉末热分析曲线，在600~700℃内，DSC曲线上出现一个比较明显的吸热峰，且此吸热峰较不含添加相的铝热剂反应的吸热峰有所下降，这可能是加入的Si、Ti发挥了作用，Ti在自蔓延反应过程中，可以活化Al2O3的晶格结构，促进反应烧结，降低了粉体熔化所需要的能量，但是在DSC曲线上没有出现明显的放热峰。说明铝热剂在熔化后没有反应。

图4（d）为Al+Fe2O3+Si+Ti+Mo粉末热分析曲线，在900℃左右DSC曲线上出现一个峰强较低的放热峰，反应程度不剧烈，比铝热剂Al+Fe2O3的起始温度降低了100℃左右，且反应剧烈程度下降，说明该粉体设计可以降低自蔓延铝热反应温度。这是因为Mo是一种常见的助熔剂，可以降低Al2O3的熔点，延长自蔓延燃烧后的液相存续时间。

2.3 低温自蔓延粉末热重分析

涂层在高温下的稳定性，对涂层的性能有很大的影响。通过分析不同粉体的TG曲线，来分析涂层的热稳定性，比较不同添加相对涂层性能的影响。4种配比自蔓延粉末热重曲线如图5所示。

图5（a）为Al+Fe2O3粉体TG曲线，可以看出，此粉体共减重12.35%，粉体反应生成涂层后的减重较多，说明其热稳定性较差。

图5（b）为Al+Fe2O3+Si粉体TG曲线，可以看出，此粉体共减重2.17%，相较于铝热剂反应后生成的涂层减重较少，故认为此涂层热稳定性有所改善，而且其热稳定性较好，说明加入的Si对铝热剂粉末热稳定性有改善作用。

图5（c）为Al+Fe2O3+Si+Ti粉体的TG曲线，可以看出，此粉体共减重17.48%，是4种粉体中减重最多的。这可能是粉体没有反应生成涂层，只是粉体在高温下熔化减重，并且同时加入的Si与Ti都对降低Al的熔点有促进作用，因此减重最多。

图5（d）为Al+Fe2O3+Si+Ti+Mo粉体TG曲线，粉体相较于只加入SiO2粉末体系的减重更少，热稳定性有更多的改善，加入Mo元素后，铝热反应更为充分，Fe2O3还原的氧元素大部分又与Al结合生成Al2O3，因此重量变化最小，减重最少。这可能是因为加入Mo后，Mo在热反应过程中与O2生成MoO3，其液化沸腾蒸发释放热量促进铝热反应。

图5 4种配比自蔓延粉末热重曲线

2.4 正交实验分析

正交试验结果表明影响涂层制备过程中基体温度的主次顺序为：冷却气体压力、铝热剂（Al-Fe2O3）添加重量比、填充剂（Si、Ti、Mo）添加重量比，最优参数组合为A3B1C2（冷却气体压力0.2MPa，填充剂添加质量分数6%，铝热剂添加质量分数94%）。按正交试验制备的试验件端口形貌显示最优工艺组合参数制备的涂层铝合金管外壁形貌优异，温度影响小，合理调整反应物配比可改善涂层致密度。同时分析了反应时间、转速等对涂层结构的影响，应选适中转速、旋转时间和较小填充量提高涂层致密度和结合性能。

3 结论

（1）铝热反应的过程十分激烈，释放大量的热，加入Si、Ti添加相时会降低反应温度，减缓反应剧烈程度，甚至抑制反应的进行，再加入适量的Mo时会使铝热反应重新发生。

（2）添加相的加入可以降低反应温度，降低反应的剧烈程度，加入Si、Ti、Mo添加相的自蔓延反应体系的放热反应温度较铝热反应温度降低了100℃左右。且高温失重最少，为1.33%，体系最为稳定。

（3）调配铝热剂与添加相的配比可以使自蔓延反应降低反应温度，反应过程平稳进行。通过设计正交实验确定铝热剂、添加相与冷却压力的最优配比，根据实验结果得出最优配比为：冷却气体压力为0.2MPa，添加相质量分数为6%，铝热剂质量分数为94%。

本文作者：管西巧、杨延峰、王亮、黄智、于云龙、周凯旋、王浩、金国

作者简介：管西巧，烟台职业学院智能制造系，讲师，研究方向为机械制造；周凯旋（通信作者），哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，硕士研究生，研究方向为材料表面处理及防护。

论文全文发表于《科技导报》2024年第19期，原标题为《添加相对自蔓延成型铝合金筒内壁涂层温度的影响》，本文有删减，欢迎订阅查看。

白名单回复后台「转载」

☟

《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的成果报道、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、智库观点、科技评论、热点专题、综述、论文、学术聚焦、科学人文等。

《科技导报》微信公众平台创建于2014年，主要刊登《科技导报》期刊内容要点，报道热点科技问题、科技事件、科学人物，打造与纸刊紧密联系又特色鲜明的新媒体平台。

科技导报公众号聚集了数万名专心学术的未来之星和学术大咖，添加编辑微信，让优秀的你有机会与志趣相同的人相遇。

来源：科技导报