铸造Al-Si合金微弧氧化膜层制备与性能表征

发布时间：2020-11-21 13:41

　　 本文针对高功率密度发动机活塞对铸造Al-Si(硅含量11~14%)合金表面防护涂层的迫切需求,利用微弧氧化技术在铸造Al-Si合金表面制备微弧氧化陶瓷膜层。采用正交试验法优化了硅酸盐电解液体系微弧氧化工艺参数;并借助扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)等测试手段系统研究了微弧氧化膜层元素成分、相组成、微观结构及生长机理;评价了微弧氧化膜层的耐蚀性能、耐磨性能、导热隔热性能及抗热疲劳性能,揭示了其腐蚀、摩擦磨损、隔热及热疲劳机理,并采用台架试验对顶面微弧氧化的铝合金活塞进行了性能考核。采用优化工艺在铸造Al-Si合金表面制备的微弧氧化膜层主要由莫来石(mullite,3Al_2O_3·2SiO_2)、α-Al_2O_3、γ-Al_2O_3相组成。微弧氧化膜层的厚度随着氧化电流密度和氧化时间的增加而增加,氧化膜层中莫来石、α-Al_2O_3相含量随着微弧氧化膜层厚度的增加而增加,膜层中致密层厚度也随氧化膜厚度的增加而增加。微弧氧化膜层的生长速率呈先大后小的趋势。氧化过程中铝合金基体中的初晶硅转移至膜层表面或电解液中,导致氧化膜层内部出现较大尺寸的孔洞。3.5%NaCl溶液中,Cl~-主要通过扩散的方式渗入膜层,并吸附在氧化膜层表面取代Al_2O_3中的O~(2-),生成Al-O-Cl可溶性化合物,造成膜层破坏;同时阳极反应产物Al~(3+)与阴极反应产物OH~-反应生成的腐蚀产物在膜孔中不断集聚,产生自封孔作用,从而对Cl~-渗入起到阻碍作用,一定程度上抑制了腐蚀反应的进行,且膜层越厚,这种抑制作用越明显。1%Na_2S溶液中,Na_2S水解产生的高浓度OH~-一方面通过膜孔进入氧化膜层,与基体反应生成Al(OH)_3,对基体产生腐蚀,另一方面高浓度OH~-对氧化膜层也会产生溶解作用,导致氧化膜层破坏,因此铸造Al-Si合金基体及其微弧氧化膜层在1%Na_2S溶液中的耐蚀性能远低于在3.5%NaCl溶液中耐蚀性能,腐蚀反应过程中生成的腐蚀产物在膜孔中大量集聚,使得阳极极化后期出现明显的钝化现象,且膜层越厚,钝化现象越显著。采用优化工艺制备的微弧氧化膜层耐蚀性随厚度增加而增强,但是超过一定厚度后耐蚀性开始下降。干摩擦试验条件下,微弧氧化膜层的摩擦系数高于铸造Al-Si合金基体,但是耐磨性能优于铸造Al-Si合金基体;微弧氧化膜层耐磨性能随着膜层厚度的增加而增加。铸造Al-Si合金基体及微弧氧化膜层的磨损率随着载荷和滑动速率的增加而增加,微弧氧化膜层的摩擦系数随载荷增加而降低,微弧氧化膜层表层的摩擦系数低于底层摩擦系数。油润滑条件下微弧氧化膜层摩擦系数是干摩擦试验条件下的1/8~1/5,铸造Al-Si合金基体摩擦系数是其干摩擦试验条件下的1/7~1/5,润滑介质大幅降低了微弧氧化膜层及铸造Al-Si合金基体的摩擦系数,提高了微弧氧化膜层及铸造Al-Si合金基体的耐磨性能。高温条件下,铸造Al-Si合金强度下降,在摩擦载荷作用下Al-Si合金塑性变形量增大,导致摩擦过程中摩擦接触面积增大,致使摩擦系数升高;同时微弧氧化膜层犹如鸡蛋壳,在摩擦载荷的循环作用下易开裂和剥落从而失效。微弧氧化膜层磨削颗粒黏附在磨痕表面,在基体表面形成强化层,使得氧化膜层的摩擦系数显著低于基体。铸造Al-Si合金基体和微弧氧化膜层的磨损率随温度升高而增加,相同条件下微弧氧化膜层的磨损率低于基体。铸造Al-Si合金微弧氧化膜层热扩散系数、比热容、导热系数随着膜层厚度的增加而增加,随着测试温度的增加而减少,微弧氧化膜导热系数相对于铝合金基体下降2~3个数量级。采用ANSYS数值分析软件对不同厚度微弧氧化膜的隔热性能进行模拟,结果显示:稳态条件下,膜厚55μm的微弧氧化膜隔热效果最好;耐热试验显示55μm厚的微弧氧化膜隔热温度约为20℃,经微弧氧化处理后,基体耐热温度提高约67℃,使其耐耐热试验时长提高1倍。铸造Al-Si合金微弧氧化膜层具有良好的抗热震性能和膜基结合力,膜厚55μm的微弧氧化膜层试样经60次空冷热震和水冷热震试验后,膜层表面均未出现肉眼可见的裂纹和膜层脱落现象。顶面经微弧氧化处理后铝合金活塞具有良好的热疲劳性能,经1000次循环热冲击试验后铝合金活塞表面微弧氧化膜层未见失效现象;并通过了50小时台架试验考核。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG174.4
【部分图文】：

轻量化对铝活塞合金的性能要求不断提高，为此美国航空航天局（NASA）研制出了MSFC-398过共晶铝硅活塞合金和MSFC-388共晶铝硅活塞合金，两种合金的典型微观组织见图1-1[1]。图1-1 两种铝合金的微观组织Fig.1-1 Microscopic structure of two kinds of Al alloy

Wenbin Xue等[22~25]研究显示（如图1-2所示），在2024铝合金上制备的微弧氧化膜层分外层疏松层（Ⅲ）和内层致密层（Ⅱ），膜层主要由α-Al2O3和γ-Al2O3组成，致密层维氏硬度和弹性模量分别为600～1200Hv和280～390 GPa，氧化处理前后，铝合金基体的微观结构没有改变，虽然氧化处理后基体材料的屈服强度、抗拉强度和弹性模量均有减少，但是幅度不超过5%。因此铝合金微弧氧化技术在高耐蚀、高耐磨、隔热、绝缘等领域具有广阔的应用前景。图1-2 微弧氧化膜层微观形貌((a)表面，(b)截面)Fig.1-2 The morphology of MAO coating((a) surface,(b) cross section)关于微弧氧化技术的起源可以追溯到十九世纪，最初Sluginov报道了在电解过程中产生放电的现象

用TEM、XRD等研究了微弧氧化膜层的结构组成，研究结果显示氧化膜内层主要由直径约500nm的晶相颗粒组成，结构致密，外层为由无定形和晶态物质组成的混合物，其中还有一些孔隙（如图1-3所示）。氧化过程的前一小时，氧化膜主要由γ-Al2O3组成，氧化两小时后，膜层由γ-Al2O3、多铝红柱石、α- Al2O3和δ- Al2O3组成，随着氧化时间的再延长，膜层中不再有新相出现。图1-3 微弧氧化膜层TEM ((a)内层，(b)外层)Fig.1-3 The TEM of MAO coatings((a)inner layer ,(b)outer layer)Wenbin Xue等[40]研究显示微弧氧化开始阶段，氧化膜厚度随着氧化时间线性增长
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本文编号：2893085