热循环作用下铝合金阳极氧化膜的开裂行为与机理研究

论文摘要

阳极氧化技术广泛应用于铝及其合金的表面处理以提高其表面力学性能和耐蚀性。阳极氧化膜本身有着良好的耐高温性能,但由于氧化膜与铝基体的热膨胀系数相差较大,往往抗热疲劳性能不佳,在热循环和膜内原有内应力的作用下导致膜中出现裂纹等缺陷,从而力学性能与耐蚀性显著下降。随着对铝合金构件要求的提高,相应的对在高温往复热循环作用下仍具有高耐蚀性和良好的综合力学性能的阳极氧化膜的研究越来越重要。搞清阳极氧化过程、氧化工艺、膜成分与结构对氧化膜耐热性、抗热疲劳性、耐蚀性等性能的影响,深入理解各种因素对氧化膜抗热疲劳性能的影响、作用机制以及各种因素的相互关系,不但有助于更深入理解铝合金阳极氧化膜的结构与性能的科学本质,同时有助于制备出具有耐热、抗热疲劳并耐腐蚀的阳极氧化膜层。本论文以工业纯铝L3、铸铝ZL201和硬铝LY12为试验材料,研究了阳极氧化工艺对阳极氧化膜残余生长内应力的影响、封闭工艺和加热条件对阳极氧化膜受热开裂行为的影响以及氧化膜受热开裂前后腐蚀行为的变化。结果表明:纯铝上形成的阳极氧化膜具有规则的微孔结构,而在Z1201和LY12合金上形成的阳极氧化膜孔结构不规则,且有较多空洞缺陷。这些缺陷主要是由于金属间颗粒的存在而产生,降低了阳极氧化膜的力学性能。纯铝上形成的阳极氧化膜中存在残余生长应力,随氧化电压的升高,残余压应力增大。当阳极氧化膜受热时,吸附水和结晶水的脱除使氧化膜发生失重,而结晶水的脱除与加热温度的变化关系更为密切。加热速度增大,氧化膜失重增大。封闭氧化膜反应活性大,加热时较未封闭氧化膜失重大。在300℃加热范围内,氧化膜受热前后均保持非晶态组织。阳极氧化膜孔隙率随氧化电压升高而降低。阳极氧化膜孔隙率的降低和残余压应力的增大都有利于降低阳极氧化膜的开裂。纯铝上形成的阳极氧化膜封闭后为连续结构,没有出现裂纹。而在Z1201和LY12合金上形成的阳极氧化膜封闭后出现了非穿透性的网格状裂纹。加热时,未封闭氧化膜表现出较优异的耐热循环性能,而封闭的阳极氧化膜产生了穿透性的网格状裂纹。当封闭膜连续性较好时,其开裂行为主要与氧化膜的残余内应力和微孔结构有关（工业纯铝L3上形成阳极氧化膜受热开裂行为）。当氧化膜封闭后存在裂纹时,如果裂纹宽度的变化不足以释放热应力时,新的裂纹产生（铸铝ZL201上形成阳极氧化膜受热开裂行为）。当裂纹宽度的增大足以释放热应力时,氧化膜中则不会产生新的裂纹,加热前后裂纹密度变化不大,而裂纹宽度增大（硬铝LY12上形成阳极氧化膜受热开裂行为）。氧化膜厚度增大,受热后裂纹密度增大。加热温度对封闭膜受热产生裂纹密度影响不大,而宽度增大。加热速率增大,裂纹密度增大,而冷却速度对裂纹密度影响不大。裂纹主要形成与加热阶段。草酸膜比硫酸膜有更好的耐热循环性能。封闭工艺对阳极氧化膜的受热开裂行为有重要影响。不同封闭工艺处理的氧化膜的耐热循环性能依次为:铈盐＞K2Cr2O7＞自封＞沸水＞NiF2。封闭工艺对氧化膜受热开裂的影响主要与封闭产物的类型和脱水收缩有关。降低水合作用、封闭后仍然保持阳极氧化膜微孔结构的封闭方法,能够有效防止封闭阳极氧化膜热循环条件下的开裂。未封闭阳极氧化膜对基体的保护能力受热前后变化不大。自封闭、沸水和NiF2封闭膜受热后形成穿透性裂纹,基体金属暴露于腐蚀介质中,腐蚀速度显著增大。随着裂纹密度的增大,腐蚀速率增大。K2Cr2O7和铈盐脉冲封闭阳极氧化膜受热后未发生开裂,对基体金属仍然起到很好的保护作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 铝阳极氧化膜的制备
• 1.3 阳极氧化膜的封闭处理
• 1.4 阳极氧化工艺对膜性能的影响
• 1.4.1 电解液的影响
• 1.4.2 电压参数的影响
• 1.4.3 电流参数的影响
• 1.4.4 电解液温度的影响
• 1.4.5 电化学处理时间的影响
• 1.4.6 铝合金成分的影响
• 1.5 氧化膜的热膨胀系数和内应力
• 1.6 阳极氧化膜的结构与组织
• 1.7 阳极氧化膜的缺陷
• 1.7.1 阳极氧化膜固有缺陷
• 1.7.2 封孔引起的阳极氧化膜缺陷
• 1.8 阳极氧化膜的受热开裂
• 1.9 论文选题的目的与意义
• 参考文献
• 第二章 实验方法
• 2.1 前言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验所用的主要试剂和材料
• 2.2.2 试样的前处理
• 2.2.3 阳极氧化膜制备及装置
• 2.2.4 阳极氧化膜的逆电剥离
• 2.2.5 氧化膜的封闭及加热
• 2.3 分析表征手段
• 2.3.1 氧化膜形貌及成份分析
• 2.3.2 失重分析
• 2.3.3 显微硬度测试
• 2.3.4 氧化膜组织分析
• 2.3.5 电化学测试
• 2.3.6 氧化膜厚度测量
• 2.3.7 氧化膜连续性检验
• 2.3.8 氧化膜弹性模量测量
• 参考文献
• 第三章 工业纯铝L3阳极氧化膜的受热开裂行为
• 3.1 前言
• 3.2 工业纯铝微观形貌
• 3.3 工业纯铝阳极氧化动力学
• 3.4 氧化工艺对孔结构影响
• 3.5 氧化工艺对封闭氧化膜厚度和硬度的影响
• 3.6 阳极氧化膜中的残余生长应力
• 3.6.1 氧化工艺参数对残余内应力的影响
• 3.6.2 不同氧化工艺条件下形成的氧化膜的EIS
• 3.6.3 讨论
• 3.7 氧化膜受热前后XRD分析
• 3.8 封闭氧化膜的受热开裂行为
• 3.8.1 氧化膜封闭后形貌
• 3.8.2 氧化膜受热形成裂纹形貌
• 3.8.3 电流密度对氧化膜受热开裂行为的影响
• 3.8.4 硫酸浓度对氧化膜受热开裂行为的影响
• 3.8.5 氧化温度对氧化膜受热开裂行为的影响
• 3.8.6 加热温度对氧化膜受热开裂行为的影响
• 3.8.7 工业纯铝在草酸溶液中形成阳极氧化膜受热开裂行为
• 3.8.8 讨论
• 本章结论
• 参考文献
• 第四章 ZL201合金阳极氧化膜的受热开裂行为
• 4.1 前言
• 4.2 ZL201合金的相分布
• 4.3 ZL201合金阳极氧化动力学
• 4.4 氧化工艺对氧化膜微孔结构的影响
• 4.5 氧化工艺对封闭氧化膜硬度的影响
• 4.6 封闭氧化膜加热前后XRD谱图分析
• 4.7 封闭氧化膜的受热失重
• 4.8 封闭氧化膜受热前后成分观察
• 4.9 氧化膜受热开裂行为
• 4.9.1 未封闭氧化膜表面形貌
• 4.9.2 氧化膜封闭后形貌
• 4.9.3 氧化膜受热形成裂纹形貌
• 4.10 氧化工艺对氧化膜受热开裂行为的影响
• 4.10.1 氧化时间对氧化膜受热开裂行为的影响
• 4.10.2 硫酸浓度对氧化膜受热开裂行为的影响
• 4.10.3 氧化电流密度对氧化膜受热开裂行为的影响
• 4.10.4 氧化温度对氧化膜受热开裂行为的影响
• 4.10.5 讨论
• 4.11 热循环条件对氧化膜开裂行为的影响
• 4.11.1 加热温度对氧化膜开裂行为的影响
• 4.11.2 加热冷却速度对氧化膜开裂行为的影响
• 4.12 氧化膜开裂对耐蚀性的影响
• 本章结论
• 参考文献
• 第五章 LY12合金阳极氧化膜的受热开裂行为
• 5.1 前言
• 5.2 LY12合金微观结构
• 5.3 LY12合金阳极氧化动力学
• 5.3.1 阳极氧化膜生成电压典型曲线
• 5.3.2 不同阳极氧化工艺下氧化膜生成电压曲线
• 5.4 氧化工艺对氧化膜微孔结构的影响
• 5.5 氧化工艺对氧化膜硬度的影响
• 5.6 氧化膜的受热失重
• 5.7 氧化膜的受热开裂行为
• 5.7.1 未封闭氧化膜表面形貌
• 5.7.2 氧化膜封闭后形貌
• 5.7.3 未封闭氧化膜受热后形貌
• 5.7.4 封闭氧化膜受热后形貌
• 5.8 阳极氧化工艺对封闭氧化膜受热开裂行为的影响
• 5.8.1 氧化电流密度对封闭氧化膜受热开裂行为的影响
• 5.8.2 硫酸浓度对氧化膜受热开裂行为的影响
• 5.8.3 氧化温度对氧化膜受热开裂行为的影响
• 5.8.4 草酸电解液中形成阳极氧化膜受热开裂行为
• 5.9 封闭工艺对阳极氧化膜受热开裂行为的影响
• 5.9.1 不同封闭方式的封闭机理
• 5.9.2 不同封闭工艺处理的氧化膜受热前的XRD
• 5.9.3 不同封闭方式获得氧化膜的受热开裂
• 5.10 氧化膜开裂机理讨论
• 5.11 加热对氧化膜保护性能的影响
• 5.11.1 氧化膜加热前后的电化学行为
• 5.11.2 封闭氧化膜裂纹面积比变化对电化学行为的影响
• 本章结论
• 参考文献
• 第六章 阳极氧化膜的受热失重行为研究
• 6.1 前言
• 6.2 纯铝上生成未封闭阳极氧化膜受热失重行为
• 6.2.1 加热速度对未封闭氧化膜失重行为的影响
• 6.2.2 未封闭氧化膜恒温过程中重量变化行为
• 6.3 纯铝上生成阳极氧化膜沸水封闭后受热失重行为
• 6.3.1 加热速度对封闭氧化膜的受热失重行为的影响
• 6.3.2 氧化温度对封闭氧化膜受热失重行为影响
• 6.3.3 封闭氧化膜恒温过程中重量变化行为
• 6.3.4 讨论
• 6.4 不同封闭处理氧化膜受热失重行为
• 本章结论
• 参考文献
• 第七章 全文总结
• 本论文创新点
• 致谢
• 攻读学位期间发表及待发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件