中南大學(xué)/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(jié)構(gòu)的全流程設(shè)計(jì)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(xué)、上海交通大學(xué)

DOI：10.1016/j.pmatsci.2026.101709

近日，中南大學(xué)黃千里副教授、上海交通大學(xué)材料學(xué)院輕合金中心楊超博士后合作在《Progress in Materials Science》上發(fā)表重要綜述。文章系統(tǒng)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(shè)計(jì)策略，從處理前、處理中和處理后三個(gè)階段，深入剖析了調(diào)控涂層微觀結(jié)構(gòu)、提升耐磨性能的關(guān)鍵機(jī)制與技術(shù)路徑。

背景介紹

輕合金（Al、Ti、Mg）在航空航天、汽車和生物醫(yī)療等領(lǐng)域需求迫切，但其低耐磨性嚴(yán)重制約服役壽命。現(xiàn)有表面技術(shù)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(jié)合力弱、厚度小；熱噴涂易引起熱變形和界面剝離。PEO技術(shù)源于1930年代的陽極火花放電，歷經(jīng)“電子雪崩”模型、雙極脈沖模式等理論突破，并于2000年后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，可在輕合金表面原位生長(zhǎng)冶金結(jié)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(hù)功能。然而，傳統(tǒng)PEO涂層主要由基底金屬氧化物（如Al2O3、TiO2、MgO）構(gòu)成，具有高脆性/低硬度/摩擦系數(shù)較高（0.50–0.85）的缺點(diǎn)。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(yán)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(shè)計(jì)策略，以構(gòu)建清晰的結(jié)構(gòu)-耐磨性關(guān)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(gòu)建策略（b）

本文亮點(diǎn)

本綜述系統(tǒng)梳理了PEO涂層微觀結(jié)構(gòu)與耐磨性能的本征關(guān)聯(lián)，提出了“處理前—處理中—處理后”三位一體的全流程協(xié)同設(shè)計(jì)理念，突破了以往單一參數(shù)優(yōu)化的局限。并且，文章針對(duì)Al、Ti、Mg三種合金基底的特性差異，分別指明了最優(yōu)的耐磨涂層構(gòu)建路徑。

圖文解析

（1）Al基PEO涂層：硬質(zhì)基體的致密化與自潤(rùn)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(chǔ)。但傳統(tǒng)涂層脆性大、摩擦系數(shù)高，主要瓶頸在于外層多孔結(jié)構(gòu)和缺乏潤(rùn)滑功能。全流程調(diào)控策略包括：

·處理前策略（圖2）：通過表面機(jī)械研磨或噴丸引入高密度晶界和位錯(cuò)，增強(qiáng)基體表面活性，從而加速PEO反應(yīng)并促進(jìn)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(shí)，避免使用含Si、Mn、Zn的合金，因其會(huì)抑制α-Al2O3相變并引入脆性相（如A356合金中的共晶Si導(dǎo)致涂層不均勻開裂）。預(yù)涂覆涂層可以緩解基材成分對(duì)后續(xù)PEO層形成的抑制作用。通過戰(zhàn)略性地引入特定的化學(xué)成分，可以調(diào)節(jié)微弧放電行為，以優(yōu)化涂層的微觀結(jié)構(gòu)，并顯著提高耐磨性。

圖2 通過處理前策略（基底選擇、物理預(yù)處理、預(yù)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(dǎo)“軟火花”放電，降低單次放電能量，使涂層從粗糙多孔變?yōu)橹旅芫鶆颍ɡ缭?024 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(shí)間，可進(jìn)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(xué)反應(yīng)原位生成低剪切強(qiáng)度的潤(rùn)滑相（如Ce(Ac)3生成準(zhǔn)二維CePO4，摩擦系數(shù)降至0.15以下）或增韌相（如K2ZrF6生成t-ZrO2，通過應(yīng)力誘導(dǎo)相變抑制裂紋擴(kuò)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(tuán)聚。

圖3 通過處理中策略（電工藝參數(shù)調(diào)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(diào)節(jié)）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(jī)械互鎖錨點(diǎn)，通過浸漬、噴涂或水熱合成將固體潤(rùn)滑劑（PTFE、MoS2、DLC）復(fù)合到涂層表面和孔道中，形成“硬底+軟頂”結(jié)構(gòu)（例如PEO/PTFE復(fù)合涂層磨損率低至7.5×10-7 mm3/N·m）。也可機(jī)械拋光去除疏松外層，直接暴露致密內(nèi)層以降低摩擦系數(shù)。

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(zhì)/潤(rùn)滑相原位增強(qiáng)

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(zhì)或潤(rùn)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(zhì)相。通過磁控濺射或冷噴涂預(yù)沉積Al層，后續(xù)PEO轉(zhuǎn)化為α-Al2O3硬質(zhì)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(yù)處理、預(yù)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(jìn)Al2O3相生成并抑制軟質(zhì)Al2TiO5相。通過可溶性添加劑（如Na2S+Na2MoO4）在等離子體高溫區(qū)發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，原位生成MoS2/TiO2納米復(fù)合涂層，形成非共格強(qiáng)界面以增強(qiáng)結(jié)合，且摩擦系數(shù)顯著降低（如MoS2/TiO2涂層COF≈0.2）。同時(shí)添加Ce(Ac)3和K2ZrF6，可同步生成CePO4潤(rùn)滑相和ZrO2增強(qiáng)相，實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑與承載協(xié)同。不可溶性硬質(zhì)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(jī)制（例如添加ZrO2顆粒后磨損率降低42%）。通過優(yōu)化電參數(shù)（高頻率、適當(dāng)占空比）控制放電能量，避免顆粒團(tuán)聚和過度燒蝕。

圖7 通過處理中策略（電工藝參數(shù)調(diào)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(diào)節(jié)）提升Ti基PEO涂層耐磨性

·處理后策略：機(jī)械拋光去除疏松多孔的外層，暴露致密內(nèi)層以降低COF和磨損率。復(fù)合DLC、PTFE或無機(jī)釉層，利用PEO粗糙表面增強(qiáng)頂層結(jié)合力，結(jié)合頂層自身潤(rùn)滑/硬質(zhì)特性，顯著提升涂層耐磨性（如PEO/DLC復(fù)合涂層磨損率降低三個(gè)數(shù)量級(jí)）。

（3）Mg基PEO涂層：低硬度基體上的骨架構(gòu)建與協(xié)同潤(rùn)滑

MgO硬度最低（~9.2 GPa），單獨(dú)依賴MgO無法獲得高耐磨性。關(guān)鍵路徑是先構(gòu)建穩(wěn)定的硬質(zhì)陶瓷骨架，再輔以潤(rùn)滑相：

·處理前策略（圖9）：優(yōu)先選用含Al、Zn的AZ系列鎂合金，利用Al在PEO中反應(yīng)生成MgAl2O4尖晶石（硬度遠(yuǎn)高于MgO）。通過激光表面織構(gòu)或等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）細(xì)化晶粒，提高基體反應(yīng)活性并促進(jìn)致密涂層生長(zhǎng)（如激光表面織構(gòu)后PEO涂層致密度和界面結(jié)合顯著增強(qiáng)）。采用HF酸預(yù)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(yù)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(yù)處理、預(yù)沉積）提升Mg基PEO涂層耐磨性

·處理中策略（圖10-11）：調(diào)整電源模式、電壓/電流密度值、頻率及占空比，促進(jìn)涂層的致密化并提高硬質(zhì)相的占比。優(yōu)選鋁酸鹽電解液以形成MgAl2O4骨架，其效果優(yōu)于硅酸鹽（Mg2SiO4）和磷酸鹽（Mg3(PO4)2），并形成Al2O3硬質(zhì)相。添加可溶性K2ZrF6，在放電通道中原位生成納米ZrO2和Mg2Zr5O12增強(qiáng)相，同時(shí)引入氟離子促進(jìn)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(jī)添加劑（甘油、乙二醇）調(diào)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(rùn)滑顆粒（石墨、MoS2）嵌入涂層提供減摩作用，可進(jìn)一步與硬質(zhì)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(shù)調(diào)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(diào)節(jié)）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(chǔ)油/儲(chǔ)潤(rùn)滑劑層，通過浸漬或噴涂填充PTFE、環(huán)氧樹脂或固體潤(rùn)滑劑，形成復(fù)合涂層（如PEO/PTFE復(fù)合涂層磨損率降低99%，達(dá)到7.81×10?? mm3/N·m）。環(huán)氧樹脂還可提高涂層塑性指數(shù)和斷裂韌性，抵抗塑性變形。

（4）PEO涂層vs. PVD/ED涂層：優(yōu)勢(shì)與不足

文章系統(tǒng)對(duì)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(yōu)勢(shì)總結(jié)：相比于PVD涂層，PEO涂層最大的優(yōu)勢(shì)在于厚度大、結(jié)合強(qiáng)度高（冶金結(jié)合），因而在長(zhǎng)期磨損服役中具有更長(zhǎng)的壽命。相比于ED涂層，優(yōu)化后的PEO涂層磨損率更低、環(huán)境友好（不含六價(jià)鉻等有毒物質(zhì)）。

不足與局限：PEO涂層的主要缺點(diǎn)包括：①表面粗糙度較高（Ra可達(dá)數(shù)微米），對(duì)需要超高光潔度的應(yīng)用場(chǎng)景需后處理；②可能降低基體的疲勞性能，這是PEO涂層在動(dòng)態(tài)載荷部件應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

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

總結(jié)與展望

（1）總結(jié)

本綜述系統(tǒng)總結(jié)了PEO涂層耐磨性能優(yōu)化的全流程設(shè)計(jì)策略，揭示了不同輕合金基體下的共性規(guī)律與個(gè)性差異。

共性規(guī)律：PEO涂層普遍具有“致密內(nèi)層+多孔外層”的雙層結(jié)構(gòu)。針對(duì)外層，有三種通用強(qiáng)化策略：①外層強(qiáng)化（通過前處理、電參數(shù)調(diào)控和電解液設(shè)計(jì)，提高外層致密度和厚度，并原位生成硬質(zhì)/潤(rùn)滑相）；②外層復(fù)合（利用多孔結(jié)構(gòu)浸漬潤(rùn)滑相，形成復(fù)合涂層）；③外層去除（機(jī)械拋光去除疏松外層，暴露致密內(nèi)層）。其中，可溶性添加劑的原位相生成和后處理復(fù)合涂層是提升耐磨性能最有效的兩條途徑。

個(gè)性差異：Al基：基體自帶硬質(zhì)Al2O3，重點(diǎn)在于增厚、致密化、降低粗糙度以及引入潤(rùn)滑相。Ti基：TiO2硬度偏低，需要通過引入硬質(zhì)或潤(rùn)滑相來顯著提升耐磨性。Mg基：MgO硬度最低，必須先構(gòu)建穩(wěn)定的高硬度陶瓷骨架，再輔以潤(rùn)滑相實(shí)現(xiàn)協(xié)同減摩。

（2）展望

• 結(jié)合先進(jìn)表征與計(jì)算模擬，揭示涂層生長(zhǎng)與失效機(jī)制。

• 發(fā)展原位摩擦相工程，在涂層中直接生成優(yōu)異潤(rùn)滑或強(qiáng)化相。

• 設(shè)計(jì)梯度結(jié)構(gòu)、晶態(tài)-非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)等強(qiáng)韌化涂層。

• 實(shí)現(xiàn)無機(jī)/有機(jī)復(fù)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(huán)境下的服役行為。

作者介紹

第一作者1：魏劍磊，中南大學(xué)粉末冶金研究院碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈入x子體電解氧化（PEO）減摩耐磨涂層。

第一作者2：陳平虎，現(xiàn)任南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師、碩士生導(dǎo)師，主要從事空天用輕合金凝固成形制造與表面防護(hù)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(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。兼任《Corrosion Communication》、《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》、《中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)》，《中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)》等期刊青年編委，擔(dān)任《Corrosion Science》、《Surface & coating Technology》、《Surfaces and Interfaces》等期刊評(píng)審專家，受邀在國(guó)內(nèi)外多個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議做特邀報(bào)告。

通訊作者1：黃千里，現(xiàn)任中南大學(xué)粉末冶金研究院副教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榈入x子體電解氧化（PEO）防護(hù)性（腐蝕防護(hù)、耐磨減摩等）與功能性（激光吸收/防護(hù)、生物醫(yī)用等）涂層。入選美國(guó)斯坦福大學(xué)全球前2%頂尖科學(xué)家榜單（2023-2025）、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程、湖南省青B，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃等多項(xiàng)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(guó)際知名期刊發(fā)表SCI論文50余篇，引用次數(shù)3500余次，H因子38（Google Scholar）。應(yīng)邀編寫專著1章，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利10余項(xiàng)。長(zhǎng)期擔(dān)任Advanced Functional Materials等數(shù)十種國(guó)內(nèi)外知名期刊的論文評(píng)閱專家。

通訊作者2：楊超，上海交通大學(xué)材料學(xué)院曾小勤教授團(tuán)隊(duì)博士后，主要從事不銹鎂合金設(shè)計(jì)開發(fā)及其在海洋裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。入選國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃，上海市“超級(jí)博士后”激勵(lì)計(jì)劃。近年來主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助及面上項(xiàng)目、國(guó)（境）外交流項(xiàng)目、上海市閔行區(qū)“揭榜掛帥”項(xiàng)目等12項(xiàng)課題。相關(guān)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(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文30余篇，其中ESI熱點(diǎn)論文1篇，ESI高被引論文6篇，封面論文2篇，授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利13項(xiàng)。擔(dān)任《Exploration》，《Rare Metals》，《Corrosion Communication》，《中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)》，《稀有金屬》等期刊青年編委，受邀在國(guó)內(nèi)外多個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議做邀請(qǐng)和口頭報(bào)告。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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