钛合金表面高温高发射率膜层的制备及剪切性能研究

论文摘要

飞行器蒙皮在高速飞行时与大气发生剧烈摩擦产生大量的热量,使飞行器表面温度升高。过高的温度对飞行器本身的材料性能带来不利的影响,材料的高温氧化是飞行器面临的一个重要问题。高发射率热防护涂层能够有效的解决飞行器在高速飞行时所产生的热量及热氧化等问题,从而保证飞行器材料的稳定性。本文在磷酸三钠为主盐的电解液体系中,通过添加过渡金属盐类和碳化硅纳米粒子,采用微弧氧化的方法在Ti-6Al-4V合金表面原位生长高发射率陶瓷膜层。研究了不同添加物对膜层红外发射率的影响,并选择硫酸亚铁、乙酸钴、乙酸镍及碳化硅纳米粒子为添加物做进一步研究,考查其浓度对膜层结构、组成、剪切结合强度以及发射率的影响。分析了膜层与基体剪切强度的变化规律,以及影响膜层发射率的关键因素。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线散射能谱仪（EDS）及X射线衍射仪（XRD）等测试技术研究了陶瓷膜的表面形貌和物相组成;采用剪切强度试验测试膜层与基体的结合强度及光谱发射率测量系统测试膜层的红外发射率。结果表明,微弧氧化技术制备的陶瓷膜层的组成、结构与电解液的浓度等参数有关。陶瓷膜层主要由金红石相及锐钛矿相TiO2组成。随着电解液中添加离子（粒子）浓度的增大,膜层中金红石相TiO2明显增加。陶瓷膜层的厚度随反应时间先增大后减小;膜层剪切强度随电解液浓度的增大先增大后减小,膜层与基体界面相互咬合,凹凸不平,具有冶金结合的特征。膜层中硅、铁、镍和钴元素的含量随电解液浓度的增大而增加。电解液中添加乙酸钴对膜层的发射率影响最大,且发射率随电解液浓度的增加先增加后略有下降,在乙酸钴浓度为4.0g/L时膜层的发射率最大。研究了处理时间对陶瓷膜层剪切强度、频率对陶瓷膜层发射率的影响。并得到最佳工艺条件:乙酸钴浓度为4.0g/L,处理电压为350V,频率为100Hz,反应时间为10min时膜层在38μm的发射率为0.76-1.0,膜层的剪切强度为7.20MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 高发射率膜层的制备方法及研究现状
• 1.2.1 传统表面改性方法
• 1.2.2 高发射率涂层的研究现状
• 1.3 高发射率膜层的影响因素
• 1.3.1 热辐射的影响因素
• 1.3.2 膜层与基体结合强度的影响因素
• 1.4 微弧氧化技术
• 1.4.1 微弧氧化技术简介
• 1.4.2 微弧氧化技术优势
• 1.4.3 微弧氧化技术发展概况及研究现状
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验装置及工艺
• 2.2.1 微弧氧化装置
• 2.2.2 微弧氧化电源
• 2.2.3 试样的制备
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 膜层厚度的测试方法
• 2.3.2 剪切强度测试
• 2.3.3 发射率的测试方法
• 2.3.4 粗糙度的测试方法
• 2.4 微弧氧化膜层组织结构分析方法
• 2.4.1 X 射线衍射分析
• 2.4.2 膜层形貌分析
• 2.4.3 能谱分析
• 第3章 微弧氧化陶瓷膜层组织结构与剪切性能
• 3.1 主盐体系的选择
• 3.1.1 纯磷酸盐体系微弧氧化膜层的组成
• 3.1.2 磷酸盐-硅酸盐体系微弧氧化膜层的组成
• 3.2 磷酸盐主盐体系最佳浓度的选择
• 3.3 磷酸盐-添加剂电解液体系陶瓷膜层的结构与剪切性能
• 3.3.1 磷酸盐体系添加碳化硅纳米粒子对膜层的影响
• 3.3.2 磷酸盐体系添加硫酸亚铁对膜层的影响
• 3.3.3 磷酸盐体系添加乙酸镍对膜层的影响
• 3.3.4 磷酸盐体系添加乙酸钴对膜层的影响
• 3.3.5 磷酸盐体系添加氟锆酸钾对膜层的影响
• 3.4 磷酸盐-硅酸盐-添加剂电解液体系陶瓷膜层的形貌研究
• 3.4.1 磷酸盐-硅酸盐体系添加乙酸铜对膜层形貌的影响
• 3.4.2 磷酸盐-硅酸盐体系添加硫酸亚铁对膜层形貌的影响
• 3.4.3 磷酸盐-硅酸盐体系添加乙酸钴对膜层形貌的影响
• 3.4.4 磷酸盐-硅酸盐体系添加乙酸镍对膜层形貌的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 微弧氧化陶瓷膜层辐射性能研究
• 4.1 主盐体系膜层发射率分析
• 4.1.1 纯磷酸盐体系膜层发射率分析
• 4.1.2 纯硅酸盐体系膜层发射率分析
• 4.1.3 磷酸盐-硅酸盐体系膜层发射率分析
• 4.2 磷酸盐-氟锆酸钾体系膜层发射率分析
• 4.3 碳化硅浓度对磷酸盐体系膜层发射率的影响
• 4.4 硫酸亚铁浓度对磷酸盐体系膜层发射率的影响
• 4.5 乙酸镍浓度对磷酸盐体系膜层发射率的影响
• 4.6 乙酸钴浓度及处理参数对磷酸盐体系膜层发射率的影响
• 4.6.1 乙酸钴浓度对膜层发射率的影响
• 4.6.2 时间、频率对乙酸钴电解液体系膜层的影响
• 4.7 磷酸盐-硅酸盐-乙酸铜体系膜层发射率分析
• 4.8 磷酸盐-硅酸盐-硫酸亚铁体系膜层发射率分析
• 4.9 磷酸盐-硅酸盐-乙酸镍体系膜层发射率分析
• 4.10 磷酸盐-硅酸盐-乙酸钴体系膜层发射率分析
• 4.11 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢