本文針對(duì)高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)活塞對(duì)鑄造Al-Si(硅含量11~14%)合金表面防護(hù)涂層的迫切需求,利用微弧氧化技術(shù)在鑄造Al-Si合金表面制備微弧氧化陶瓷膜層。采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化了硅酸鹽電解液體系微弧氧化工藝參數(shù);并借助掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)和X射線衍射(XRD)等測(cè)試手段系統(tǒng)研究了微弧氧化膜層元素成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)機(jī)理;評(píng)價(jià)了微弧氧化膜層的耐蝕性能、耐磨性能、導(dǎo)熱隔熱性能及抗熱疲勞性能,揭示了其腐蝕、摩擦磨損、隔熱及熱疲勞機(jī)理,并采用臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)頂面微弧氧化的鋁合金活塞進(jìn)行了性能考核。采用優(yōu)化工藝在鑄造Al-Si合金表面制備的微弧氧化膜層主要由莫來(lái)石(mullite,3Al_2O_3·2SiO_2)、α-Al_2O_3、γ-Al_2O_3相組成。微弧氧化膜層的厚度隨著氧化電流密度和氧化時(shí)間的增加而增加,氧化膜層中莫來(lái)石、α-Al_2O_3相含量隨著微弧氧化膜層厚度的增加而增加,膜層中致密層厚度也隨氧化膜厚度的增加而增加。微弧氧化膜層的生長(zhǎng)速率呈先大后小的趨勢(shì)。氧化過(guò)程中鋁合金基體中的初晶硅轉(zhuǎn)移至膜層表面或電解液中,導(dǎo)致氧化膜層內(nèi)部出現(xiàn)較大尺寸的孔洞。3.5%NaCl溶液中,Cl~-主要通過(guò)擴(kuò)散的方式滲入膜層,并吸附在氧化膜層表面取代Al_2O_3中的O~(2-),生成Al-O-Cl可溶性化合物,造成膜層破壞;同時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物Al~(3+)與陰極反應(yīng)產(chǎn)物OH~-反應(yīng)生成的腐蝕產(chǎn)物在膜孔中不斷集聚,產(chǎn)生自封孔作用,從而對(duì)Cl~-滲入起到阻礙作用,一定程度上抑制了腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行,且膜層越厚,這種抑制作用越明顯。1%Na_2S溶液中,Na_2S水解產(chǎn)生的高濃度OH~-一方面通過(guò)膜孔進(jìn)入氧化膜層,與基體反應(yīng)生成Al(OH)_3,對(duì)基體產(chǎn)生腐蝕,另一方面高濃度OH~-對(duì)氧化膜層也會(huì)產(chǎn)生溶解作用,導(dǎo)致氧化膜層破壞,因此鑄造Al-Si合金基體及其微弧氧化膜層在1%Na_2S溶液中的耐蝕性能遠(yuǎn)低于在3.5%NaCl溶液中耐蝕性能,腐蝕反應(yīng)過(guò)程中生成的腐蝕產(chǎn)物在膜孔中大量集聚,使得陽(yáng)極極化后期出現(xiàn)明顯的鈍化現(xiàn)象,且膜層越厚,鈍化現(xiàn)象越顯著。采用優(yōu)化工藝制備的微弧氧化膜層耐蝕性隨厚度增加而增強(qiáng),但是超過(guò)一定厚度后耐蝕性開(kāi)始下降。干摩擦試驗(yàn)條件下,微弧氧化膜層的摩擦系數(shù)高于鑄造Al-Si合金基體,但是耐磨性能優(yōu)于鑄造Al-Si合金基體;微弧氧化膜層耐磨性能隨著膜層厚度的增加而增加。鑄造Al-Si合金基體及微弧氧化膜層的磨損率隨著載荷和滑動(dòng)速率的增加而增加,微弧氧化膜層的摩擦系數(shù)隨載荷增加而降低,微弧氧化膜層表層的摩擦系數(shù)低于底層摩擦系數(shù)。油潤(rùn)滑條件下微弧氧化膜層摩擦系數(shù)是干摩擦試驗(yàn)條件下的1/8~1/5,鑄造Al-Si合金基體摩擦系數(shù)是其干摩擦試驗(yàn)條件下的1/7~1/5,潤(rùn)滑介質(zhì)大幅降低了微弧氧化膜層及鑄造Al-Si合金基體的摩擦系數(shù),提高了微弧氧化膜層及鑄造Al-Si合金基體的耐磨性能。高溫條件下,鑄造Al-Si合金強(qiáng)度下降,在摩擦載荷作用下Al-Si合金塑性變形量增大,導(dǎo)致摩擦過(guò)程中摩擦接觸面積增大,致使摩擦系數(shù)升高;同時(shí)微弧氧化膜層猶如雞蛋殼,在摩擦載荷的循環(huán)作用下易開(kāi)裂和剝落從而失效。微弧氧化膜層磨削顆粒黏附在磨痕表面,在基體表面形成強(qiáng)化層,使得氧化膜層的摩擦系數(shù)顯著低于基體。鑄造Al-Si合金基體和微弧氧化膜層的磨損率隨溫度升高而增加,相同條件下微弧氧化膜層的磨損率低于基體。鑄造Al-Si合金微弧氧化膜層熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)隨著膜層厚度的增加而增加,隨著測(cè)試溫度的增加而減少,微弧氧化膜導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)于鋁合金基體下降2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。采用ANSYS數(shù)值分析軟件對(duì)不同厚度微弧氧化膜的隔熱性能進(jìn)行模擬,結(jié)果顯示:穩(wěn)態(tài)條件下,膜厚55μm的微弧氧化膜隔熱效果最好;耐熱試驗(yàn)顯示55μm厚的微弧氧化膜隔熱溫度約為20℃,經(jīng)微弧氧化處理后,基體耐熱溫度提高約67℃,使其耐耐熱試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)提高1倍。鑄造Al-Si合金微弧氧化膜層具有良好的抗熱震性能和膜基結(jié)合力,膜厚55μm的微弧氧化膜層試樣經(jīng)60次空冷熱震和水冷熱震試驗(yàn)后,膜層表面均未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂紋和膜層脫落現(xiàn)象。頂面經(jīng)微弧氧化處理后鋁合金活塞具有良好的熱疲勞性能,經(jīng)1000次循環(huán)熱沖擊試驗(yàn)后鋁合金活塞表面微弧氧化膜層未見(jiàn)失效現(xiàn)象;并通過(guò)了50小時(shí)臺(tái)架試驗(yàn)考核。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TG174.4
【部分圖文】：

輕量化對(duì)鋁活塞合金的性能要求不斷提高，為此美國(guó)航空航天局（NASA）研制出了MSFC-398過(guò)共晶鋁硅活塞合金和MSFC-388共晶鋁硅活塞合金，兩種合金的典型微觀組織見(jiàn)圖1-1[1]。圖1-1 兩種鋁合金的微觀組織Fig.1-1 Microscopic structure of two kinds of Al alloy

Wenbin Xue等[22~25]研究顯示（如圖1-2所示），在2024鋁合金上制備的微弧氧化膜層分外層疏松層（Ⅲ）和內(nèi)層致密層（Ⅱ），膜層主要由α-Al2O3和γ-Al2O3組成，致密層維氏硬度和彈性模量分別為600～1200Hv和280～390 GPa，氧化處理前后，鋁合金基體的微觀結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變，雖然氧化處理后基體材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量均有減少，但是幅度不超過(guò)5%。因此鋁合金微弧氧化技術(shù)在高耐蝕、高耐磨、隔熱、絕緣等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。圖1-2 微弧氧化膜層微觀形貌((a)表面，(b)截面)Fig.1-2 The morphology of MAO coating((a) surface,(b) cross section)關(guān)于微弧氧化技術(shù)的起源可以追溯到十九世紀(jì)，最初Sluginov報(bào)道了在電解過(guò)程中產(chǎn)生放電的現(xiàn)象

用TEM、XRD等研究了微弧氧化膜層的結(jié)構(gòu)組成，研究結(jié)果顯示氧化膜內(nèi)層主要由直徑約500nm的晶相顆粒組成，結(jié)構(gòu)致密，外層為由無(wú)定形和晶態(tài)物質(zhì)組成的混合物，其中還有一些孔隙（如圖1-3所示）。氧化過(guò)程的前一小時(shí)，氧化膜主要由γ-Al2O3組成，氧化兩小時(shí)后，膜層由γ-Al2O3、多鋁紅柱石、α- Al2O3和δ- Al2O3組成，隨著氧化時(shí)間的再延長(zhǎng)，膜層中不再有新相出現(xiàn)。圖1-3 微弧氧化膜層TEM ((a)內(nèi)層，(b)外層)Fig.1-3 The TEM of MAO coatings((a)inner layer ,(b)outer layer)Wenbin Xue等[40]研究顯示微弧氧化開(kāi)始階段，氧化膜厚度隨著氧化時(shí)間線性增長(zhǎng)
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本文編號(hào)：2893085