AZ31镁合金原位生长耐磨陶瓷膜层研究

论文摘要

镁合金是结构材料中最轻的金属,但其硬度和塑性剪切抗力较低,导致其摩擦磨损性能较差,大大限制了其在航空航天及其他领域的应用空间,因此,有必要对镁合金进行表面改性以提高其摩擦磨损性能。本文针对提高镁合金的耐磨性能,利用微弧氧化技术在AZ31镁合金表面原位生长耐磨氧化陶瓷膜,并系统分析了氧化陶瓷膜的结构和摩擦磨损性能及其与电解液体系、工艺参数、掺杂改性剂之间的关系,为AZ31镁合金的推广和使用提供了理论依据。采用XRD、EDS、SEM等测试手段,对氧化膜的相组成、元素组成及其在厚度方向上的分布进行分析,并观察膜层形貌和磨痕形貌;采用表面粗糙度轮廓仪对氧化膜表面粗糙度及磨痕轮廓进行分析;采用纳米压痕测量系统对膜层的表面硬度进行分析;采用球-盘式摩擦磨损试验机对氧化膜的摩擦系数进行分析;并采用往复式摩擦磨损试验机研究膜层的磨损寿命和磨损率。研究表明,最佳电解液体系为:硅酸钠10g/L、氢氧化钠5g/L、钨酸钠1.5g/L、柠檬酸钠1g/L;最佳电参数为:电流密度7A/dm2、频率500Hz、占空比10%、反应时间300s;膜层厚度为14μm;相组成为方镁石MgO和硅镁尖晶石Mg2SiO4;纳米硬度为2.56GPa;摩擦系数为0.2329;体积磨损率为9.098×10-6mm3/Nm。为了进一步提高氧化膜的摩擦磨损性能,研究K2Cr2O7和Na2B4O7掺杂对膜层摩擦磨损性能的影响,结果表明:K2Cr2O7掺杂膜层的耐磨性能较优,掺杂浓度为0.5g/L,制备膜层在底载荷下的摩擦系数为0.2111;高载荷下的体积磨损率为6.746×10-6mm3/Nm;纳米硬度为3.47GPa,膜层的磨损机制为粘着磨损。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 镁合金表面改性技术及其特点
• 1.2.1 传统镁合金表面改性技术
• 1.2.2 镁合金微弧氧化技术
• 1.3 镁合金微弧氧化陶瓷膜的摩擦学性能
• 1.3.1 微弧氧化陶瓷膜的耐磨特性
• 1.3.2 微弧氧化陶瓷膜表面磨损形式
• 1.4 镁合金微弧氧化陶瓷膜耐磨性能的研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料及研究方法
• 2.1 试验材料及化学试剂
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 微弧氧化实验装置及流程
• 2.2.2 微弧氧化电源
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 镁合金微弧氧化的前处理
• 2.3.2 镁合金微弧氧化陶瓷膜的制备
• 2.4 测试方法
• 2.4.1 微弧氧化陶瓷膜形貌及组织结构分析方法
• 2.4.2 微弧氧化陶瓷膜摩擦学性能测试
• 第3章 AZ31 镁合金微弧氧化陶瓷膜的制备和表征
• 3.1 微弧氧化电解液体系的筛选及优化
• 3.1.1 硅酸盐体系中各组成物浓度的优化
• 3.1.2 磷酸盐体系中各组成物浓度的优化
• 3.2 磷酸盐体系制备微弧氧化陶瓷膜的表征
• 3.2.1 微弧氧化陶瓷膜表面形貌
• 3.2.2 微弧氧化陶瓷膜结构及其元素分布
• 3.2.3 微弧氧化陶瓷膜相组成
• 3.2.4 微弧氧化陶瓷膜摩擦磨损性能
• 3.3 硅酸盐体系制备微弧氧化陶瓷膜的表征
• 3.3.1 微弧氧化陶瓷膜表面形貌
• 3.3.2 微弧氧化陶瓷膜结构及其元素分布
• 3.3.3 微弧氧化陶瓷膜相组成
• 3.3.4 微弧氧化陶瓷膜摩擦磨损性能
• 3.4 本章小结
• 第4章 微弧氧化工艺参数对膜层结构和性能的影响
• 4.1 电流密度对膜层结构和性能的影响
• 4.1.1 电流密度对微弧氧化过程电压的影响
• 4.1.2 电流密度对膜层表面形貌的影响
• 4.1.3 电流密度对膜层截面形貌的影响
• 4.1.4 电流密度对膜层相组成的影响
• 4.1.5 电流密度对膜层摩擦磨损性能的影响
• 4.2 电源频率对膜层结构和性能的影响
• 4.2.1 频率对微弧氧化过程电压的影响
• 4.2.2 频率对膜层表面形貌的影响
• 4.2.3 频率对膜层截面形貌的影响
• 4.2.4 频率对膜层相组成的影响
• 4.2.5 频率对膜层摩擦磨损性能的影响
• 4.3 电源占空比对膜层结构和性能的影响
• 4.3.1 占空比对微弧氧化过程电压的影响
• 4.3.2 占空比对膜层表面形貌的影响
• 4.3.3 占空比对膜层截面形貌的影响
• 4.3.4 占空比对膜层相组成的影响
• 4.3.5 占空比对膜层摩擦磨损性能的影响
• 4.4 微弧氧化反应时间对膜层结构和性能的影响
• 4.4.1 氧化时间对膜层表面形貌的影响
• 4.4.2 氧化时间对膜层表面轮廓的影响
• 4.4.3 氧化时间对膜层截面形貌的影响
• 4.4.4 氧化时间对膜层相组成的影响
• 4.4.5 氧化时间对膜层摩擦磨损性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 掺杂改性对微弧氧化陶瓷膜性能的影响
• 5.1 微弧氧化陶瓷膜改性剂的筛选
• 2Cr₂0₇ 掺杂对陶瓷膜结构与性能的影响'>5.2 K₂Cr₂0₇掺杂对陶瓷膜结构与性能的影响
• 5.2.1 掺杂对微弧氧化过程电压的影响
• 5.2.2 掺杂对膜层厚度及相组成的影响
• 5.2.3 掺杂对膜层表面形貌及其元素分布的影响
• 5.2.4 掺杂对膜层截面形貌及其元素分布的影响
• 5.2.5 掺杂对膜层摩擦磨损性能的影响
• 2B₄0₇ 掺杂对陶瓷膜结构与性能的影响'>5.3 Na₂B₄0₇掺杂对陶瓷膜结构与性能的影响
• 5.3.1 掺杂对微弧氧化过程电压的影响
• 5.3.2 掺杂对膜层厚度及相组成的影响
• 5.3.3 掺杂对膜层表面形貌及其元素分布的影响
• 5.3.4 掺杂对膜层截面形貌及其元素分布的影响
• 5.3.5 掺杂对膜层摩擦磨损性能的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢