铝合金表面氮弧原位生长搅拌摩擦复合材料化处理

发布时间：2020-07-10 11:15

【摘要】：铝合金的发展使其在航空航天领域得到广泛应用,在汽车领域铝合金是最具性价比的减重材料。但是由于硬度低,耐磨性差等缺点限制了铝合金的应用及发展,提高铝合金表面硬度及其耐磨性是一个重要的课题。电弧氮化技术具有设备低廉、操作简单、涂层与基体间结合强度高等优点。搅拌摩擦加工技术可以通过控制搅拌针的长度、形状可以实现对复合材料层厚度及成型的控制。本文对氮弧原位制备氮化铝及搅拌摩擦处理制备表面复合材料层进行了研究,对氮化层形貌、成分进行分析,研究了氮化铝的形成机制。对搅拌摩擦后的组织形貌进行分析,基于涂层的硬度与耐磨性能,解释了搅拌摩擦过程中组织演变过程和强化机制,并研究了复合材料层的耐腐蚀性能。对铝合金基体进行氮弧原位处理,分析氮化层的组织形貌及形成机制。经过氮弧原位制备的氮化铝以枝晶组织和层状组织存在,氮化铝厚度达到了300μm以上。在电弧的作用下,铝合金基体表面受到电弧的热作用熔化形成熔池,氮气等离子体化,在扩散和对流作用下扩散进入熔池,与铝发生氮化反应生成氮化铝。经过氮弧处理的表面进行搅拌摩擦处理,对制备得到的复合材料层进行组织与性能的分析。搅拌摩擦处理后复合材料层厚度400μm左右,氮化铝破碎为细小颗粒,分布均匀,嵌入到铝合金基体中。复合材料层平均显微硬度在110HV以上,硬度明显提升。纳米压痕试验表明复合材料层的硬度和模量均大幅提升。划痕实验表明在同等力和滑动距离条件下,复合材料层更耐划。摩擦磨损实验表明复合材料层的摩擦系数在0.15左右,而铝合金母材在0.5左右,复合材料层磨损失重低于母材,磨痕浅且窄,其耐磨性能显著改善。分析了搅拌摩擦处理过程中的组织演变及复合材料层的强化机制。在搅拌头的作用下,氮化铝被挤压、破碎为小颗粒,随铝合金热塑性材料流动,弥散分布于铝合金基体表层,生成氮化铝颗粒增强表面复合材料层,其强化机制主要包括第二相强化和形变强化。复合材料层的腐蚀行为表明氮化铝的弥散介入对铝合金表面的极化行为影响不大,与腐蚀电位升高,腐蚀敏感性降低。复合材料层的腐蚀形式表现为点蚀,围绕着氮化铝颗粒的铝优先被溶解发生点蚀,随着蚀点生长连到一起发生剥落腐蚀,直到表面层中的铝全部被溶解,剩下腐蚀产物及未发生反应的氮化铝相,构成了腐蚀障碍层,降低了腐蚀速率。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：

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AlN陶瓷沉积直流溅射示意图

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这是因为注入过程中样品的储热产生了较高的扩散速率，从而减少缺陷。随着氮离子能量的增大，注入氮离子的铝样品的耐腐蚀性随之增大。图1-3 不同能量N+注入7049铝合金的AFM图像[26](a) 20 keV， (b) 22.5 keV， (c) 25 keV， (d) 30 keV

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了亚微米和纳米氮化铝颗粒在铝基粉末中的存在，加了氮化铝的涂层硬度更高，纳米压痕试验表明，有原位产生的氮化铝颗粒的存在，涂层摩擦学性能的提高得到了证实，如图1-4所示。图1-4 原位AlN/Al复合材料[34](a) SEM图像和EDX分析，(b) 维氏硬度1.3.2 电弧原位合成氮电弧是指在堆焊或者熔覆过程中，保护气体采用全部氮气或者采用氩气与氮气以一定的比例混合而产生的电弧。在铝及其合金表面处理方面，氮弧与氩弧相比来说，具有一些特殊的优点：（1）氮电弧能量更高，电弧挺度好，热量更集中；（2）当用氮电弧处理铝合金表面的时候，氮气一方面作为保护气体保护基体表面，另一方面又可以与基体的铝反应生成氮化铝，氮化铝作为增强相提高铝合金表面的性能。氮电弧处理铝合金表面原位合成是用氮电弧处理铝及其合金的表面

【参考文献】