铝合金表面复合搪瓷涂层的制备与性能研究

发布时间：2017-04-15 20:26

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【摘要】：铝合金具有密度小、重量轻、易于成形加工等优异性能,在机械、航空航天、汽车和食品等行业,可作为轻量化和节约能源的理想材料,然而其表面硬度低、耐磨性差,严重制约了它的应用范围。搪瓷为一种无机玻璃瓷釉,具有耐高温、耐腐蚀、硬度高等优点,铝合金表面搪瓷化可以使其既有金属材料的强度和韧性,又有搪瓷的化学稳定性和机械性能等优点,取长补短,使得铝合金表面性能得到提高。本文以制备具有高硬度、抗磨、耐腐蚀等优良综合性能的铝合金表面搪瓷涂层为目的,选用工业上应用较广泛的6061铝合金作为基体,将其表面进行搪瓷化处理。对铝合金试样采取不同的预处理方法:阳极氧化预处理、等离子喷涂Ni/Al过渡层预处理、不做预处理;通过球磨,使瓷釉粉末达到亚微米级;以烧结温度、保温时间、试样预处理作为变量,进行正交试验,研究不同工艺参数对搪瓷层组织和性能的影响。利用激光粒度分析仪分析球磨后的釉料粒度;利用显微硬度计和涡流测厚仪分析涂层的硬度和膜厚;通过扫描电子显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、金相显微镜,观察涂层的表面形貌以及基体与过渡层、过渡层与瓷层界面处的微观形貌;通过摩擦磨损试验、抗机械冲击试验和耐酸腐蚀试验,测试搪瓷涂层的耐磨性、抗冲击性以及耐酸性腐蚀等性能。研究结果表明:以涂层硬度作为考察指标,烧结的最佳工艺为阳极氧化预处理,烧结温度540℃,保温时间4 min。在抗磨性、抗机械冲击性、耐腐蚀性方面,经阳极氧化处理后的瓷层优于Ni/Al喷涂预处理和未预处理的试样。对比不同预处理试样的表面形貌和截面形貌,阳极氧化预处理的瓷层组织较致密,界面处结合紧密,无明显的气泡、微裂纹等缺陷,表面平整光洁,而Ni/Al喷涂预处理和未预处理的瓷层中存在大量气孔、微裂纹等缺陷,表面凹凸不平,结合不牢固,界面处存在微缝。本试验采用亚微米级的釉料粉末,有效地缩短了原子扩散的距离并增加了颗粒在液相中的溶解度,同时增大了系统的表面能和烧结推动力,导致烧结速率增加和烧结温度降低,达到低温快烧的目的。阳极氧化膜层表面多孔型的结构,极大的增加了其与搪瓷层的接触面积以及釉料对过渡层的浸润性,同时,超细熔融釉浆进入阳极氧化膜的微孔中与基体形成锯齿状的机械锚合,结合更加紧密。搪瓷层与阳极氧化膜的锚状结合,以及两者结合的复杂形状使铝合金能够承受更大的冲击力,并且瓷层能够将受到的力转移一部分到铝合金基体上,从而使搪瓷层具有良好的抗机械冲击能力。此外,阳极氧化膜可以有效地阻止铝合金基体与碱性釉料因直接接触发生反应放出气体,缓解瓷层与铝合金之间的热膨胀系数差异,起到良好的过渡作用,消除气泡、微裂纹等缺陷,使得瓷层具有较高的致密度和光洁度。
【关键词】：铝合金 阳极氧化 等离子喷涂 搪瓷 力学性能
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-28
• 1.1 选题背景11
• 1.2 铝合金表面处理技术概述11-18
• 1.2.1 电镀与化学镀技术12-13
• 1.2.2 转化膜技术13-15
• 1.2.3 涂料涂装技术15
• 1.2.4 气相沉积技术15-17
• 1.2.5 热喷涂技术17-18
• 1.2.6 其他涂层技术18
• 1.3 阳极氧化处理技术18-22
• 1.3.1 多孔型阳极氧化膜结构及模型19-20
• 1.3.2 多孔型阳极氧化膜的成膜机理20-21
• 1.3.3 研究现状及应用21-22
• 1.4 等离子喷涂技术22-23
• 1.4.1 等离子喷涂的原理22
• 1.4.2 等离子喷涂的特点22-23
• 1.4.3 研究现状及应用23
• 1.5 搪瓷技术23-26
• 1.5.1 搪瓷釉的组成与结构23-24
• 1.5.2 搪瓷技术的研究现状24-25
• 1.5.3 铝合金搪瓷技术的特点及应用前景25-26
• 1.6 研究意义及内容26-28
• 1.6.1 研究意义26
• 1.6.2 研究内容26-28
• 2 试验部分28-34
• 2.1 试验原料28-29
• 2.2 试验仪器29-31
• 2.2.1 试验操作仪器29-30
• 2.2.2 试验测试仪器30-31
• 2.3 试验方案31-34
• 3 铝合金表面预处理与测试34-46
• 3.1 铝合金的预处理方法34-36
• 3.1.1 阳极氧化预处理34-35
• 3.1.2 等离子喷涂Ni/Al打底层预处理35-36
• 3.2 检测方法36-37
• 3.2.1 厚度测试36
• 3.2.2 硬度测试36
• 3.2.3 微观形貌观察36-37
• 3.3 预处理试样的试验结果与分析37-44
• 3.3.1 阳极氧化正交试验分析37-38
• 3.3.2 阳极氧化膜厚度分析38-39
• 3.3.3 阳极氧化膜硬度分析39-40
• 3.3.4 阳极氧化膜微观形貌分析40-42
• 3.3.5 Ni/Al喷涂层显微形貌分析42-44
• 3.4 本章小结44-46
• 4 铝合金表面搪瓷涂层的制备与测试46-68
• 4.1 搪瓷涂层的制备46-47
• 4.2 检测方法47-49
• 4.2.1 釉料粒度测试47
• 4.2.2 硬度测试47-48
• 4.2.3 耐磨性能测试48
• 4.2.4 抗机械冲击性能测试48
• 4.2.5 耐酸腐蚀性能测试48-49
• 4.2.6 微观形貌观测49
• 4.2.7 X射线衍射分析测试49
• 4.3 结果与分析49-63
• 4.3.1 搪瓷釉料的粒度分析49-51
• 4.3.2 正交试验分析51-53
• 4.3.3 搪瓷涂层的耐磨性测试与分析53-55
• 4.3.4 搪瓷涂层的抗机械冲击测试与分析55-56
• 4.3.5 搪瓷涂层的耐酸腐蚀性能测试与分析56-57
• 4.3.6 搪瓷涂层的显微形貌分析57-62
• 4.3.7 搪瓷涂层晶相分析62-63
• 4.4 机理探讨63-66
• 4.5 本章小结66-68
• 结论68-70
• 展望70-71
• 参考文献71-77
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果77-78
• 致谢78-79

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本文编号：309207