薛志萍 陸靜 毛現(xiàn)艷 黃身桂 郭樺

摘要：以304不銹鋼為基體，采用電泳共沉積法制備復(fù)合涂層，并通過(guò)燒結(jié)方式實(shí)現(xiàn)涂層在基體的固化。研究電泳共沉積過(guò)程中不同懸浮液組成、沉積電壓、沉積時(shí)間和Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對(duì)涂層性能的影響，對(duì)涂層進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能測(cè)試，并使用該工藝制備拋光盤(pán)，用于藍(lán)寶石的拋光。結(jié)果表明：當(dāng)沉積電壓為50 V，沉積時(shí)間為6 min，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的Al³⁺時(shí)，可獲得光滑、均勻的金剛石/Al₂O₃/玻璃復(fù)合涂層；復(fù)合涂層經(jīng)450℃燒結(jié)3 h后，表面致密均勻，硬度達(dá)521 HV，復(fù)合涂層的耐磨性、與基體的結(jié)合強(qiáng)度均良好；使用拋光盤(pán)對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行拋光，可將表面粗糙度降低90.2%。

關(guān)鍵詞：金剛石；電泳共沉積；復(fù)合涂層；燒結(jié)；拋光盤(pán)

中圖分類號(hào)：TB 332文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-5013（2024）03-0303-11

Preparation of Diamond/Al₂O₃/Glass Composite Coating by Electrophoretic Co-Deposition Method

XUE Zhiping^1，2，3，LU Jing^{1，2，3}，MAO Xianyan^1，2，HUANG Shengui^1，2，GUO Hua^1，2

（1. Institute of Manufacturing Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；2. National and Local Joint Engineering Research Center for Intelligent Manufacturing Technology of Brittle Material Products，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；3. Fujian Provincial Key Laboratory of Biomass Low-Carbon Conversion，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Abstract：Diamond/ Al₂O₃/glass composite coating was prepared by electrophoretic co-deposition method on 304 stainless steel substrate，and curing of the coating on the substrate was realized through sintering method. The influence of suspension compositions，deposition voltage，deposition time and mass fraction of Al³⁺on the coating properties during the electrophoretic co-deposition process was investigated. Microstructure characterization and mechanical property testing of the prepared coating were carried out，and polishing discs were prepared using this process for polishing sapphire substrate. The results showed that smooth and uniform diamond/Al₂O₃/glass composite coating was obtained when the deposition voltage was 50 V，the deposition time was 6 min and Al³⁺with mass fraction of 0.10% was added. The composite coating had a dense and uniform surface with a hardness of 521 HV after being sintered at 450℃ for 3 h，it also exhibited excellent abrasion resistance and bond strength with the substrate. The surface roughness of sapphire substrate was reduced by 90.2% after polishing using the prepared polishing discs.

Keywords：diamond；electrophoretic co-deposition；composite coating；sintering；polishing disc

涂層通常具有耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)、化工、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景^[1-3]。通過(guò)一定的工藝將粉體均勻地涂覆在金屬材料表面，得到的復(fù)合材料既具有金屬材料良好的物理機(jī)械性能，又具備粉體的特殊性能，可以使金屬材料具有新的性能及應(yīng)用。目前，在金屬材料表面制備涂層的方法主要有等離子噴涂、化學(xué)氣相沉積、熱噴涂和激光熔覆等方法^[4-7]。然而，這些制備涂層的方法不僅成本較高，而且涂層因快速熔融后凝固的過(guò)程可能出現(xiàn)較大的殘余內(nèi)應(yīng)力，涂層和基體之間存在孔隙，致密性差，涂覆涂層后的基體會(huì)出現(xiàn)孔洞、裂紋，甚至有開(kāi)裂傾向。

電泳沉積法是一種簡(jiǎn)單高效的材料制備技術(shù)，其基本原理是在外加電場(chǎng)的作用下，懸浮液中帶電粒子向電極運(yùn)動(dòng)，并在基體電極上聚沉，從而實(shí)現(xiàn)可控沉積^[8-10]。在電泳沉積過(guò)程中，沉積電壓、沉積時(shí)間和懸浮液體系的性能都會(huì)對(duì)電泳沉積產(chǎn)生較大的影響^[11-12]。采用電泳沉積工藝制備涂層具有諸多優(yōu)勢(shì)，一是涂層厚度和形貌可以控制，材料不易團(tuán)聚，可以在復(fù)雜形狀或多孔的金屬基體表面進(jìn)行相對(duì)均勻的涂覆；二是電泳沉積是一種較為溫和的表面涂覆方法，可以避免高溫涂覆引起的鑲邊和脆裂，對(duì)沉積層后續(xù)處理可以進(jìn)一步提高涂層與基體的結(jié)合力；三是該工藝可控，操作簡(jiǎn)單且實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本較低^[13-15]。電泳沉積法特別適用于制備陶瓷涂層、陶瓷基復(fù)合材料、功能梯度材料和拋光工具等^[16-18]。

隨著材料制備技術(shù)向精細(xì)化方向發(fā)展，單一的研磨材料難以滿足市場(chǎng)應(yīng)用需求，科研人員開(kāi)始探索不同類型粉體的復(fù)合，在不同粉體之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，達(dá)到成本低、加工效果好、加工效率高的目的^[19-20]。金剛石具有高硬度、高導(dǎo)熱性和良好的電子場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)等優(yōu)異的機(jī)械和物理性能，被廣泛應(yīng)用于各種脆性材料的加工及拋光工具制備中，是一種極具發(fā)展前景的材料^[21-23]。氧化鋁（Al₂O₃）導(dǎo)熱性差，硬度及耐磨性低于金剛石，高溫穩(wěn)定性好，生產(chǎn)成本低廉，其作為磨料在拋光應(yīng)用中占據(jù)非常重要的位置^[24-25]。然而，氧化鋁硬度低，磨料容易團(tuán)聚，導(dǎo)致拋光效率低，使用壽命短。將金剛石和氧化鋁進(jìn)行復(fù)合，可降低成本，所制備的復(fù)合涂層工具應(yīng)用范圍更廣，可以實(shí)現(xiàn)較大的經(jīng)濟(jì)效益和研究?jī)r(jià)值。 基于此，本文利用電泳共沉積技術(shù)制備金剛石/Al₂O₃/玻璃復(fù)合涂層^[26-27]，并對(duì)制備工藝條件進(jìn)行探索。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

以超細(xì)金剛石粉（粒度為1 μm，河南省鄭州市恒翔金剛石磨料有限公司）、氧化鋁粉末（粒度為1.5 μm，江蘇省達(dá)西濃納米科技（常州）有限公司）和玻璃粉（粒度為7 μm，廣東省東莞市鼎華新型材料有限公司）為實(shí)驗(yàn)原料，以乙醇（分析純，上海市國(guó)藥集團(tuán)）為溶劑，分別制備金剛石懸浮液（金剛石0.25 g，乙醇25 mL，w（金剛石）=1%，w為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、氧化鋁懸浮液（氧化鋁0.25 g，乙醇25 mL，w（Al₂O₃）=1%）、玻璃粉懸浮液（玻璃粉1.5 g，乙醇25 mL，w（玻璃粉）=6%），以及混合懸浮液（w（金剛石）=1%，w（Al₂O₃）=1%，w（玻璃粉）=6%，V（乙醇）=100 mL，V為體積）。在懸浮液中，加入少量的AlCl₃（上海市國(guó)藥集團(tuán)）作為離子添加劑，經(jīng)超聲處理5 min，配制均勻穩(wěn)定的懸浮液。

1.2 涂層的制備

電泳共沉積裝置的電極板采用304不銹鋼板，尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為40.0 mm×20.0 mm×0.6 mm，使用前對(duì)其進(jìn)行拋光處理，以保持平整度和表面光潔度，并用乙醇溶液清洗烘干。電泳共沉積裝置示意圖，如圖1所示。

通過(guò)雙電極體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將兩塊電極放入懸浮液中，電極間距為15 mm。通過(guò)dh1722a-5型直流電源（北京市大華無(wú)線電儀器有限責(zé)任公司）施加恒定電壓（50 V），沉積時(shí)間為6 min。沉積過(guò)程中，正電荷的粒子沉積在負(fù)極，負(fù)電荷的粒子沉積在正極。沉積后復(fù)合涂層在空氣中自然干燥24 h。采用箱式電阻爐（河南省鄭州市鑫涵儀器設(shè)備有限公司）對(duì)復(fù)合涂層進(jìn)行燒結(jié)固化，燒結(jié)時(shí)間為3 h，升溫速率為5℃·min^-1，燒結(jié)完畢后，樣品隨爐冷卻。

1.3 分析表征

采用KH-8700型三維視頻顯微鏡（日本HIROX公司）對(duì)涂層的三維形貌和劃痕的表面形貌進(jìn)行觀察。采用Apreo Sxing型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（美國(guó)賽默飛公司）對(duì)涂層的微觀形貌進(jìn)行觀察。采用HV-1000型維氏硬度計(jì)（山東省煙臺(tái)市萊州華銀實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）對(duì)450℃不同燒結(jié)時(shí)間的復(fù)合涂層硬度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試5個(gè)區(qū)域，取平均值為最終結(jié)果。采用Miliflex 600型X射線衍射儀（日本Rigaku公司）測(cè)試涂層的X射線衍射（XRD）圖譜，掃描過(guò)程的角度范圍為10°～80°，掃描速率為5°·min^-1。采用MFT-5000型高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)Rtec公司）的劃痕模塊系統(tǒng)進(jìn)行劃痕試驗(yàn)，使用的洛氏金剛石壓頭圓角半徑為0.2 mm，壓頭在涂層表面沿某一方向進(jìn)行劃擦，同時(shí)在豎直方向上以20 N·min^-1的加載速率從小到大均勻地施加載荷，最大載荷為40 N，劃痕長(zhǎng)度設(shè)置為4 mm，為了消除誤差，同一樣品在不同的位置進(jìn)行3次測(cè)試。采用MFT-5000型高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)Rtec公司）進(jìn)行涂層耐磨性測(cè)試及拋光實(shí)驗(yàn)，加工過(guò)程中施加載荷為10 N，轉(zhuǎn)速為300 r·min^-1。采用BS-214D型精密分析天平（北京市賽得利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司）稱取拋光前、后拋光盤(pán)和藍(lán)寶石的質(zhì)量，取連續(xù)3次稱量后的平均值，天平的精度為0.1 mg。采用NewView7300型3D光學(xué)表面輪廓儀（美國(guó)ZYGO公司）測(cè)量拋光前、后藍(lán)寶石的表面形貌和表面粗糙度，測(cè)試時(shí)在藍(lán)寶石表面選擇6個(gè)不同的檢測(cè)區(qū)域，取平均值為最終粗糙度結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電泳沉積實(shí)驗(yàn)

2.1.1 電泳沉積機(jī)理 經(jīng)測(cè)試可知3種粉體均帶負(fù)電，以不銹鋼板為正極，通電后表面帶有負(fù)電的粒子定向移動(dòng)至不銹鋼表面上（圖2）。

粉體在溶液中作為帶電粒子，電泳過(guò)程受到電場(chǎng)力的影響，所受的電場(chǎng)力（F_e）與帶電量（Q）、電場(chǎng)強(qiáng)度（E）有關(guān)，即

F_e=Q×E。（1）

在電場(chǎng)作用下，帶負(fù)電的粉體向正極加速移動(dòng)，在加速移動(dòng)的過(guò)程中受到液體阻力的影響，阻力大?。‵_r）與阻力因子（f）、電泳速度（v）有關(guān)，即

F_r=f×v。（2）

隨著電泳速度的增加，粒子受到的阻力也隨之增大，當(dāng)阻力與電場(chǎng)力相等時(shí)，即F_e=F_r，此時(shí)，粒子達(dá)到穩(wěn)定速度（v_s），有

假定粒子為球體，根據(jù)斯托克斯（Stokes）公式，此時(shí)，粒子穩(wěn)定速度為

式（4）中：n為液體粘度；R為粒子半徑。

由式（4）可知，粒子的帶電量、電場(chǎng)強(qiáng)度、粒子半徑、液體粘度均會(huì)影響磨粒的沉積速度。因此，當(dāng)粒子尺寸一定的條件下，可以通過(guò)調(diào)控粒子帶電量、通電電壓來(lái)優(yōu)化涂層的沉積效果。

2.1.2 單組分電泳沉積條件 復(fù)合材料的電泳沉積特性取決于各組分材料的電泳沉積特性。原始的粉體在乙醇溶液中分散得到的懸浮液帶負(fù)電荷，在正極沉積形成涂層。不同沉積電壓下電流隨著沉積時(shí)間的變化，如圖3所示。圖3中：U為沉積電壓；I為電流；t為沉積時(shí)間。

由圖3可知：隨著沉積時(shí)間和沉積電壓的增加，兩塊電極之間的電流增大，使懸浮液中粒子的遷移力增大，更有利于粒子在電極表面進(jìn)行涂覆；當(dāng)沉積電壓為10～70 V時(shí)，金剛石懸浮液的電流變化相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)沉積電壓為90 V時(shí)，電流有一定的波動(dòng)；氧化鋁懸浮液受沉積電壓影響較大，當(dāng)沉積電壓超過(guò)50 V時(shí)，電流隨著沉積時(shí)間的增加而逐步增大，電流不穩(wěn)定，這可能是涂覆過(guò)程中涂層顆粒團(tuán)聚不穩(wěn)定導(dǎo)致的；玻璃粉懸浮液的電流受沉積電壓的影響較小，相對(duì)穩(wěn)定；在電泳沉積過(guò)程中，電流的穩(wěn)定性對(duì)沉積均勻性具有重要影響。

在不同的沉積電壓條件下，金剛石懸浮液、氧化鋁懸浮液和玻璃粉懸浮液涂層的沉積情況，分別如圖4～6所示。

由圖4～6可知：當(dāng)沉積電壓較低（U=10 V）時(shí)，涂層較薄，無(wú)法完全覆蓋基體且涂覆不均勻，隨著沉積電壓的增加，涂層的沉積速率和涂層厚度隨之增加；當(dāng)沉積電壓為50 V時(shí)，各組分的涂覆效果較好，可以在整個(gè)基體上獲得相對(duì)光滑均勻的涂層；當(dāng)沉積電壓增至90 V時(shí)，氧化鋁懸浮液涂層的形貌不均勻，出現(xiàn)起皮翹曲的情況，這是由于過(guò)高的沉積電壓使電流波動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致涂層因顆粒團(tuán)聚而凸起。綜合分析，最佳沉積電壓為50 V。

除沉積電壓外，沉積時(shí)間也對(duì)涂層的厚度也有較大影響，因此，在沉積電壓為50 V的條件下，以涂層質(zhì)量（沉積量）為指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)研究。涂層質(zhì)量隨著沉積時(shí)間的變化，如圖7所示。圖7中：m為涂層質(zhì)量。由圖7可知：沉積時(shí)間從1 min增至10 min，溶液中的粒子持續(xù)地在電極表面涂覆，金剛石懸浮液、氧化鋁懸浮液和玻璃粉懸浮液的涂層質(zhì)量均隨著沉積時(shí)間的增加而增加。

由此可知，電泳沉積法可以通過(guò)調(diào)節(jié)沉積時(shí)間控制涂層的厚度，為了避免涂層過(guò)薄或過(guò)厚影響涂層質(zhì)量，選取最佳沉積時(shí)間為6 min。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，金剛石懸浮液、氧化鋁懸浮液和玻璃粉懸浮液表面均帶負(fù)電荷，在電泳共沉積過(guò)程中都可以在正極發(fā)生沉積。然而，由于粒子自身的電荷量較少且不均勻，沉積過(guò)程中的電流不穩(wěn)定，故沉積效果并不理想。為了獲得更佳的沉積效果，在懸浮液中添加少量陽(yáng)離子，陽(yáng)離子被吸附在粒子表面，使粒子表面帶正電，避免正極腐蝕而對(duì)襯底的選擇限制，有利于沉積的進(jìn)行。在懸浮液中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al³⁺后，其電流隨著沉積時(shí)間的變化，如圖8所示。圖8中：w（Al³⁺）為Al³⁺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由圖3，8可知：添加Al³⁺后，懸浮液電流較未加入之前顯著增大，隨著Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電流的增加越加顯著；沉積一段時(shí)間后，電流在初始時(shí)刻減小的幅度較大，隨后略有下降，這是因?yàn)閯偧尤階l³⁺時(shí)，懸浮液中粒子表面電荷迅速增加，加快了帶電顆粒的定向運(yùn)動(dòng)速度，形成了較大的電流，隨著自由離子的沉積，電流顯著降低。

金剛石懸浮液、氧化鋁懸浮液、玻璃粉懸浮液涂層的宏觀形貌圖，如圖9～11所示。由圖9可知：當(dāng)Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，單組分涂層的質(zhì)量較差，這是因?yàn)楫?dāng)Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低時(shí)，粒子表面電荷不均勻，帶電粒子較少向負(fù)極遷移，導(dǎo)致沉積在負(fù)極上的粒子較少，難以獲得均勻光滑的涂層；隨著Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，當(dāng)Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)，粉體顆粒荷電較為充分，電流相對(duì)穩(wěn)定，形成的涂層平整且致密；當(dāng)Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，懸浮液中粒子表面吸附的Al³⁺過(guò)飽和，剩余的自由離子在電場(chǎng)中的遷移效果優(yōu)于帶電粒子，減弱了粒子之間的雙電層和靜電斥力，導(dǎo)致懸浮顆粒團(tuán)聚，影響沉積效果。

由此可知，Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)是決定涂層質(zhì)量的關(guān)鍵因素，當(dāng)懸浮液中Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)，各組分可以成功地獲得均勻光滑的涂層。

綜上所述，沉積電壓、沉積時(shí)間和粒子表面帶電量均對(duì)粉體在不銹鋼表面的沉積有重要影響，當(dāng)粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、沉積時(shí)間一定時(shí)，增加沉積電壓會(huì)使涂層變厚，從而提高涂層質(zhì)量。然而，沉積電壓過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致沉積過(guò)程中電流不穩(wěn)定，影響沉積均勻性。當(dāng)粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和沉積電壓一定時(shí)，延長(zhǎng)沉積時(shí)間會(huì)增加沉積量，并且提高涂層質(zhì)量。此外，通過(guò)添加鋁離子可以有效調(diào)節(jié)溶液中的粒子表面帶電量，粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，表面帶電量越大，沉積量也會(huì)增加。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)，可在不銹鋼表面沉積不同尺寸的粉體，該方法具有很好的適用性。

2.1.3 多組分復(fù)合涂層的制備 采用低熔點(diǎn)的玻璃粉作為結(jié)合劑，將氧化鋁和金剛石兩種超細(xì)磨料進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)三相復(fù)合涂層的制備。

由單組分涂層的探索條件可知，電泳沉積的沉積電壓為50 V，沉積時(shí)間為6 min，向單組分懸浮液中加入適量的Al³⁺可以改變電泳沉積過(guò)程中粒子從正極向負(fù)極的遷移方向，從而避免正極腐蝕。根據(jù)上述單組分粉體的沉積結(jié)果，以及粉體在電泳沉積過(guò)程中的機(jī)理討論，使用上述電泳沉積的最優(yōu)條件制備多組分復(fù)合涂層。

當(dāng)Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)，在電泳共沉積過(guò)程中，混合懸浮液電流隨著沉積時(shí)間的變化，如圖12所示。由圖12可知：混合懸浮液電流隨著時(shí)間的增加而呈減小趨勢(shì)，沉積時(shí)間為6 min時(shí)，電流趨于穩(wěn)定；經(jīng)過(guò)電泳共沉積處理后，多組分復(fù)合涂層的表面均勻，無(wú)裂紋和凸起等現(xiàn)象。

混合粉體沉積后的形貌圖，如圖13所示。由圖13（a）可知：沉積后的涂層表面平整，混合粉體均勻地沉積在不銹鋼表面，且無(wú)孔洞和裂痕等缺陷。由圖13（b）可知：較大顆粒的玻璃粉均勻地分散在金剛石和氧化鋁粉體之間，粉體相互獨(dú)立且分散較為均勻。

2.2 復(fù)合涂層的燒結(jié)

為了增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)電泳沉積制得的涂層進(jìn)行后續(xù)熱處理。選用低熔點(diǎn)的玻璃粉熔融溫度約為400℃，燒結(jié)過(guò)程中，以玻璃粉為結(jié)合劑，達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)相，將金剛石和氧化鋁包裹其中。分別采用400，450，500，550℃的燒結(jié)溫度來(lái)確定金剛石/Al₂O₃/玻璃復(fù)合涂層的最佳燒結(jié)溫度。將金剛石/Al₂O₃/玻璃復(fù)合涂層置于燒結(jié)爐中，固化燒結(jié)3 h。不同燒結(jié)溫度下復(fù)合涂層的宏觀形貌圖，如圖14所示。圖14中：θ為燒結(jié)溫度。

由圖14可知：當(dāng)燒結(jié)溫度為400℃時(shí)，涂層完全覆蓋在基體上，復(fù)合涂層的表面較為均勻，與未燒結(jié)時(shí)基本一致；當(dāng)燒結(jié)溫度為450℃時(shí)，復(fù)合涂層仍較為均勻，此時(shí)，玻璃粉熔化，形成流動(dòng)相，將金剛石和氧化鋁融合包覆，形成密實(shí)的復(fù)合涂層，隨著燒結(jié)溫度的增加，

復(fù)合涂層的顏色逐漸加深；當(dāng)燒結(jié)溫度為500℃時(shí)，表面開(kāi)始出現(xiàn)微小裂紋；當(dāng)燒結(jié)溫度為550℃時(shí)，玻璃粉融化和流動(dòng)過(guò)快，出現(xiàn)鋪展現(xiàn)象，此時(shí)，復(fù)合涂層的表面光亮局部出現(xiàn)破損現(xiàn)象。因此，復(fù)合涂層的最佳燒結(jié)溫度為450℃，在這個(gè)溫度下，復(fù)合涂層更加致密均勻，表面不會(huì)出現(xiàn)裂紋和破損。

當(dāng)燒結(jié)溫度為450℃時(shí)，對(duì)不同燒結(jié)時(shí)間（t_s）下的復(fù)合涂層進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，結(jié)果如圖15所示。由圖15可知：當(dāng)燒結(jié)時(shí)間較短時(shí)，維氏硬度相對(duì)較低，主要是因?yàn)椴ＡХ酃袒煌耆?；隨著燒結(jié)時(shí)間的增加，固化變得更加完全，玻璃粉更好地包覆了粉體，形成了致密的涂層，復(fù)合涂層的維氏硬度最優(yōu)。然而，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致復(fù)合涂層受到熱損傷，使涂層硬度降低。

因此，復(fù)合涂層的最佳燒結(jié)時(shí)間為3 h，此時(shí)，復(fù)合涂層達(dá)到最大維氏硬度約為521 HV。

涂層與基體的結(jié)合力是評(píng)估涂層性能的重要指標(biāo)之一。劃痕試驗(yàn)通常用來(lái)定量分析涂層/基體系統(tǒng)的界面結(jié)合強(qiáng)度，當(dāng)加載力達(dá)到臨界載荷時(shí)，涂層開(kāi)始破損，通過(guò)分析劃痕表面形貌和摩擦力變化拐點(diǎn)位置，可以確定臨界載荷，即涂層與基體的結(jié)合力。

涂層劃痕試驗(yàn)結(jié)果及劃痕形貌，如圖16所示。圖16中：F_l為加載力；F_f為摩擦力；l為劃痕長(zhǎng)度；F_c為失效臨界載荷。

由圖16可知：測(cè)試得到未燒結(jié)的復(fù)合涂層失效臨界載荷為3.65 N；當(dāng)燒結(jié)溫度為400℃時(shí)，失效臨界載荷為6.27 N，此時(shí)，玻璃粉處于熔點(diǎn)附近，僅少量熔融，無(wú)法充分包覆金剛石與氧化鋁形成致密的涂層，與不銹鋼板之間的粘附性相對(duì)較弱；當(dāng)燒結(jié)溫度為450℃時(shí)，玻璃粉完全熔化，可較好地固結(jié)金剛石和氧化鋁，形成致密涂層，失效臨界載荷增大至23.41 N，是未燒結(jié)時(shí)的6.4倍；當(dāng)燒結(jié)溫度為500℃時(shí)，涂層與不銹鋼之間的結(jié)合強(qiáng)度繼續(xù)增加，但增加不明顯，此時(shí)的失效臨界載荷為24.87 N；當(dāng)燒結(jié)溫度為550℃時(shí)，玻璃粉融化和流動(dòng)過(guò)快，除了固結(jié)金剛石和氧化鋁外，部分玻璃粉會(huì)在不銹鋼板上進(jìn)行鋪展，此時(shí)，涂層的失效臨界載荷為30.31 N，但過(guò)高的燒結(jié)溫度對(duì)涂層表面形貌會(huì)產(chǎn)生一定破壞。

為了更清楚地了解燒結(jié)前、后復(fù)合涂層的微觀形貌變化情況，對(duì)復(fù)合涂層燒結(jié)前、后的微觀形貌進(jìn)行觀察。復(fù)合涂層燒結(jié)前、后的掃描電子顯微鏡（SEM）圖，如圖17所示。由圖17可知：燒結(jié)前的復(fù)合涂層表面粒子較為松散，粉體之間存在孔隙，致密度較低，較大的顆粒為玻璃粉，玻璃粉均勻地分散在金剛石和氧化鋁粉體之間；復(fù)合涂層于450℃固化燒結(jié)3 h后，玻璃粉完全熔融，金剛石和氧化鋁顆粒均勻地鑲嵌在玻璃粉黏結(jié)相中，整體涂層結(jié)構(gòu)致密，未出現(xiàn)粒子團(tuán)聚現(xiàn)象。因此，利用電泳共沉積法可以制備較好的復(fù)合涂層。

對(duì)復(fù)合涂層進(jìn)行物相分析（燒結(jié)溫度為450℃），燒結(jié)后復(fù)合涂層的XRD圖譜，如圖18所示。由圖18可知：涂層主要成分是氧化鋁和金剛石（C），金剛石的衍射峰分別出現(xiàn)在44.1°，75.4°處；在25.7°，35.4°，37.9°，52.7°，57.7°，66.7°，68.4°和77.1°處可以觀察到Al₂O₃的衍射峰；在26.9°，50.8°處檢測(cè)到SiO₂的衍射峰；SiO₂來(lái)源于玻璃粉熔融過(guò)程的部分析出，而NaAl₁₁O₁₇的衍射峰分別為15.9°，74.8°，其為氧化鋁與玻璃粉在高溫?zé)Y(jié)的條件下的重結(jié)晶析出；在XRD圖譜中有一個(gè)較寬的峰，對(duì)應(yīng)玻璃的非晶態(tài)。由此可知，涂層主要由氧化鋁、金剛石、少量的SiO₂和NaAl₁₁O₁₇組成，燒結(jié)過(guò)程對(duì)金剛石和氧化鋁的物相幾乎沒(méi)有任何影響，而玻璃粉熔融后則有助于固化這兩者，形成優(yōu)質(zhì)的復(fù)合涂層。

利用該涂層制備工藝制作拋光盤(pán)用于藍(lán)寶石加工，測(cè)試涂層磨損量及拋光效果。藍(lán)寶石拋光過(guò)程的裝置圖，如圖19所示。制作的拋光盤(pán)直徑為60 mm，將其固定在高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)主軸上，將直徑為10 mm的藍(lán)寶石固定在夾具上，進(jìn)行藍(lán)寶石拋光實(shí)驗(yàn)。拋光時(shí)施加的壓力為10 N，平臺(tái)轉(zhuǎn)速為300 r·min^-1，整個(gè)拋光藍(lán)寶石過(guò)程中，拋光盤(pán)運(yùn)行平穩(wěn)。稱取拋光前、后拋光盤(pán)和藍(lán)寶石的質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算可得復(fù)合涂層的磨耗比為0.6。該拋光盤(pán)對(duì)藍(lán)寶石具有良好的去除效果，且本身耐磨性良好。

對(duì)拋光前、后的藍(lán)寶石表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試，可得藍(lán)寶石的表面形貌圖，如圖20所示。由圖20可知：拋光前藍(lán)寶石表面存在較多凹坑和缺陷，平均面粗糙度為227.5 nm，拋光120 min后，藍(lán)寶石表面變得光滑，表面凹坑明顯減少，粗糙度降低至22.4 nm，拋光后粗糙度降低了90.2%，該拋光盤(pán)能實(shí)現(xiàn)良好的拋光應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

以低熔點(diǎn)玻璃粉為結(jié)合劑，Al³⁺為添加劑，利用電泳共沉積法成功制備了致密且均勻的金剛石/Al₂O₃/玻璃復(fù)合涂層。當(dāng)混合懸浮液中金剛石和Al₂O₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，玻璃粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，Al³⁺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)，施加沉積電壓為50 V，沉積時(shí)間為6 min，即可獲得均勻的金剛石/Al₂O₃/玻璃復(fù)合涂層。燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間對(duì)涂層的結(jié)合強(qiáng)度影響較大，該復(fù)合涂層的最佳燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間分別為450℃，3 h，此時(shí)，金剛石和氧化鋁粉體可以均勻地鑲嵌在熔融的玻璃相中，復(fù)合涂層致密均勻，具有較好的硬度和耐磨性。利用該工藝制備的復(fù)合磨料拋光盤(pán)可用于藍(lán)寶石拋光，拋光后復(fù)合涂層的磨耗比為0.6，藍(lán)寶石粗糙度從227.5 nm降至22.4 nm。該涂層制備工藝所得涂層在拋光過(guò)程中耐磨性良好，適用于單組分或多組分拋光工具的制備，在拋光領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。

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（責(zé)任編輯：錢筠? 英文審校：吳躍勤）