铝合金微等离子体氧化陶瓷膜的制备及抗热冲击性能研究

论文摘要

铝及其合金由于其比强度高、导热和导电性好、以及塑性优良、成形性好、无低温脆性等优点,在许多领域得到了广泛的应用。但是,铝合金高温强度较低、抗腐蚀性能差等缺点限制了其在高温环境中的进一步应用。微等离子体氧化技术可以不从外部引入陶瓷材料就在铝合金表面原位生长出具有耐磨、隔热及耐腐蚀等性能的陶瓷膜,为高温环境下承受热冲击的铝合金零部件提供了一种新的选择。本文首先通过正交试验,对电解液配方进行优化,并研究了电流密度、氧化时间对微等离子体氧化陶瓷膜生长速度的影响;通过XRD、SEM分析了陶瓷层的相组成和微观结构,并初步探讨了陶瓷膜的生长机理。抗热冲击性能是材料承受温度骤变而不被破坏的能力。本文用加热-淬冷的方法深入地研究了微等离子体氧化陶瓷膜的抗热冲击性能,并结合微等离子体氧化陶瓷膜的组织、结构和生长机理,探讨了陶瓷膜的抗热冲击失效机理。试验结果表明:（1）微等离子体氧化陶瓷膜具有较好的抗热冲击性能,致密层与基体具有良好的结合强度;（2）抗热冲击试验中,微等离子体氧化陶瓷膜的失效形式表现为:首先是疏松层的点状或块状剥落,进而致密层从铝基体上脱落;（3）陶瓷膜的抗热冲击性能还取决于电流密度的影响,电流密度太大,膜层组织疏松,抗热冲击性能下降,电流密度太小,将影响成膜速率,所以合适的电流密度为3—7A/dm2;（4）陶瓷膜的厚度过厚或过薄,都会使得MPO陶瓷膜的抗热冲击性能下降。本文的另一个研究工作是建立了MPO陶瓷膜活塞的一维平壁模型,对影响陶瓷膜抗热冲击性能的因素定性地进行了研究。结果表明:（1）陶瓷膜层的温度梯度与其所处的冷热端的环境温差成正相关关系;（2）一般来说,导热系数较小的MPO陶瓷膜,其抗热冲击性能较差;（3）随着陶瓷膜层厚度的增加,陶瓷膜的抗热冲击性能下降,所以MPO陶瓷膜的适宜厚度范围为20—30μm,并且范围随电流密度的增大而变小。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 铝合金表面陶瓷化的制备方法
• 1.2.1 等离子喷涂技术
• 1.2.2 电子束物理气相沉积
• 1.2.3 阳极氧化技术
• 1.3 微等离子体氧化技术的研究概况
• 1.3.1 微等离子体氧化技术的研究历史和现状
• 1.3.2 微等离子体氧化的基本原理
• 1.3.3 微等离子体氧化的工艺特点及膜层的性能特点
• 1.3.4 微等离子体氧化的应用领域及前景
• 1.4 本课题研究的目的、意义和内容
• 1.5 本课题的技术路线
• 2 试验材料、设备与试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 试验材料化学成分
• 2.1.2 试样尺寸与制备
• 2.1.3 微等离子体氧化电解液的配制
• 2.2 试验设备
• 2.2.1 微等离子体氧化处理设备
• 2.2.2 陶瓷膜性能检测设备
• 2.3 试验研究方法
• 2.3.1 试验工艺过程
• 2.3.2 陶瓷膜层性能检测
• 2.3.3 MPO 陶瓷膜抗热冲击性能的评价方法
• 2.4 本章小结
• 3 MPO 陶瓷膜制备工艺研究
• 3.1 电解液配方的研究及优化
• 3.2 微等离子体氧化工艺参数对陶瓷膜生长速度和性能的影响
• 3.2.1 氧化时间对陶瓷膜厚度和性能的影响
• 3.2.2 电流密度对陶瓷膜生长速度和性能的影响
• 4 微等离子体氧化的生长过程及机理
• 4.1 微等离子体氧化陶瓷膜的生长过程
• 4.2 微等离子体氧化陶瓷膜形成机理分析
• 5 MPO 陶瓷膜抗热冲击性能研究
• 5.1 陶瓷膜在不同试验温度下的抗热冲击性能
• 5.1.1 试验方法及方案
• 5.1.2 试验现象及结果
• 5.2 电流密度对MPO 陶瓷膜抗热冲击性能的影响
• 5.2.1 试验方法及方案
• 5.2.2 试验现象及结果
• 5.3 MPO 陶瓷膜厚度与抗热冲击性能的关系
• 5.3.1 试验方法及方案
• 5.3.2 试验现象及结果
• 5.4 MPO 陶瓷膜的XRD 分析
• 5.5 MPO 陶瓷膜的形貌分析
• 5.6 MPO 陶瓷膜抗热冲击失效机理的研究及性能评价
• 5.7 本章小结
• 6 MPO 陶瓷膜活塞抗热冲击性能探讨
• 6.1 热分析的理论基础
• 6.2 活塞抗热冲击１维平壁模型
• 6.3 MPO 陶瓷膜活塞抗热冲击性能的研究及讨论
• 6.3.1 陶瓷膜层厚度对抗热冲击性能的影响
• 6.3.2 冷端气流换热系数对抗热冲击性能的影响
• 6.3.3 膜层导热系数对抗热冲击性能的影响
• 6.3.4 各个因素对膜层抗热冲击性能的综合影响
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录