铝硅合金微弧氧化工艺及硅的影响机制研究

发布时间：2018-10-30 08:11

【摘要】：Al-Si合金应用广泛,但其耐磨损、耐腐蚀等性能不够理想;通过微弧氧化技术(MAO)在其表面形成性能优良的陶瓷膜,有望满足某些苛刻的工况要求。但高Si铝合金(Si10%)MAO膜层沉积效率较低,性能比低Si铝合金(Si1%)表面的膜层差,这与Si的影响密切相关。本文以纯Al和Si含量为5%、9%、12%、15%的二元Al-Si合金为基材,重点研究了Si相的作用机制及两种预处理工艺对Al-Si合金MAO的影响。以变形铝合金(Si1%)的常规成膜工艺对各基体恒流MAO,当Si含量达到12%时,成膜效率明显变小,膜层耐蚀性显著变差。通过优化Al-12%Si合金的MAO电解液和电参数,可得到较优的成膜工艺,其电解液由12 g/L Na2SiO3、2 g/L NaOH和5 g/L C6H12N4组成,正/负向电流密度为10/-4 A/dm2,频率为400 Hz,占空比为25%。在30 min恒流MAO优化工艺下,随Si含量增加,基体起弧前时间由48 s逐渐增至约276 s,起弧电压逐渐下降,但各基体正向电压差值随反应进行逐渐减小。最终各膜层平均生长速率逐渐下降,膜层单位体积能耗逐渐增加。以正/负向电压分别为450/50 V,而其它参数与恒流优化工艺一致的恒压模式对各基体氧化30 min。在氧化初期,Si相在剧烈放电下被大量氧化,其对各基体后续成膜的影响明显减弱,各膜层平均生长速率相差很小。但随Si含量增加,各基体在相同时刻下的正、负向电流密度逐渐增大,相应膜层的单位能耗逐渐提高。恒流和恒压氧化生成的膜层均由γ-Al2O3、α-Al2O3、莫来石、SiO2等组成。优化工艺参数无法显著消除Si含量对Al-Si合金MAO的影响,原因可能与Si相组织相关,因而又研究了Si相尺寸的影响。在基体熔炼时添加0.05%或0.1%的Sr含量均可明显细化Al-12%Si的共晶Si相。恒流氧化30 min时,因共晶Si相尺寸显著减小,氧化初期Al表面的阳极Al2O3膜发生体积膨胀时易将共晶Si相上的膜层遮盖,使裸露在外的SiO2面积减少。故Si对其成膜初期影响减小,基体阳极氧化时间明显缩短。而放电一定时间后,基体Si相细化程度对其MAO成膜的影响逐渐减弱。两种变质基体的电压、膜层特征始终相差较小,说明当基体共晶Si相尺寸细化至一定程度(10~15μm)后,Si相对Al-Si合金MAO成膜的影响不再产生明显变化。Sr变质基体的MAO膜层组织均匀性和结构致密性均有明显提高。虽然其膜层也由γ-Al2O3、α-Al2O3、莫来石、SiO2等组成,但膜层的显微硬度、耐磨性、耐蚀性均有明显改善。两种Sr含量变质基体的膜层特征相差较小,但0.1%Sr含量变质基体表面的膜层性能稍优越。基体共晶Si组织细化有利于提高Al-Si合金MAO膜层的性能,但仍无法提高其成膜效率。鉴于低Si铝合金MAO成膜效率和膜层性能明显优于高Si铝合金,又研究了消除基体表层Si相的刻蚀工艺对Al-Si合金MAO的影响。采用体积比为4:1的浓HNO3(65 wt%)和HF(40 wt%)的混合液对Al-12%Si合金进行刻蚀处理较合适。当刻蚀时间达到45 s后,基体表层Si含量变得很低(Si0.56%)。此后,随刻蚀时间延长,基体表层的Si含量仅略下降。刻蚀基体表层约1~1.5μm深的Si元素被溶解,Al被保留下来。对未刻蚀、15、30和60 s刻蚀的Al-12%Si合金恒流MAO发现,刻蚀可加快其氧化电压的上升速率,缩短其阳极氧化时间,提高膜层的生长速率。但刻蚀时间对氧化电压影响较小。随氧化进行,刻蚀对基体成膜的影响有所减弱。刻蚀基体的膜层亦由γ-Al2O3、α-Al2O3、莫来石、SiO2等组成。氧化30 min时,刻蚀基体MAO膜层的显微硬度、耐磨性及耐腐蚀性能均显著提高。三种刻蚀时间处理基体的膜层差异相对较小,膜层性能随刻蚀时间延长略微提升。此外,刻蚀可显著降低Al-9%Si和Al-15%Si合金表层的Si元素含量,使它们的MAO膜层生长速率明显提高,膜层单位体积能耗明显下降。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4

【参考文献】