LY12CZ铝合金表面纳米化-微弧氧化复合改性层组织结构与性能

摘要

为改善微弧氧化处理后铝合金的抗腐蚀与疲劳性能，本文通过表面机械研磨处理(SMAT)在LY12CZ铝合金表面制备表面纳米化(SNC)过渡层，再采用微弧氧化(MAO)技术对纳米晶过渡层进行微结构重构，设计制备出纳米化-微弧氧化(SNC-MAO)复合改性层。利用XRD、SEM、XPS、TEM等研究手段对复合改性层的微观组织结构进行表征，对比研究铝合金表面微弧氧化涂层及纳米化-微弧氧化复合改性层对基体合金的疲劳损伤、腐蚀学及摩擦学行为的影响。
　　结果表明，ZrO2陶瓷球表面机械研磨处理15min，使铝合金表层晶粒尺寸细化至52.8nm，从铝合金表面深入至基体20μm处晶粒尺寸从几十nm增加至200-500nm。GCr15钢球表面机械研磨处理15min，铝合金表层晶粒尺寸细化至55nm，但在最外层引入厚度5μm的由固溶体、纳米晶Fe-Al化合物、单质Fe和非晶Fe2O3组成的Fe扩散污染层。铝合金纳米晶层进行微弧氧化实验证实，Fe扩散层不利于微弧放电过程，而陶瓷球表面机械研磨处理获得的纳米晶层有利于在其表面形成致密微弧氧化陶瓷涂层。
　　在20μm厚纳米晶层表面进行微弧氧化，通过消耗部分纳米晶层分别生长出厚度为5μm、10μm及15μm的陶瓷外层；微弧放电微区产生的热量不会影响膜基界面附近基体合金的组织，使与膜基界面接壤的基体仍保留为纳米晶结构。通过表面机械研磨处理与微弧氧化技术的复合，成功制备出内层为铝合金纳米晶层，外层为致密陶瓷涂层的纳米化-微弧氧化复合改性层。随着涂层厚度的增加，微弧氧化涂层及复合改性层陶瓷外层中γ-Al2O3相含量增大，导致涂层硬度增大，同时表面粗糙度也随之增大。
　　表面机械研磨处理使铝合金表层引入-14.9MPa的残余压应力。微弧氧化处理后膜基界面附近基体合金应力状态为拉应力，涂层厚度分别为5μm、10μm和15μm的微弧氧化涂层膜基界面附近基体合金的残余应力分别为1.84MPa、2.7MPa和3.1MPa。表面机械研磨处理后再进行微弧氧化处理，将微弧氧化处理后膜基界面处铝合金基体的残余应力状态由拉应力转变为压应力，陶瓷外层厚度分别为5μm、10μm和15μm的纳米化-微弧氧化复合改性层膜基界面附近基体合金的残余应力分别为-6.3MPa、-5.2MPa和-4.5MPa。残余压应力使疲劳寿命与同一厚度(5μm和10μm)的微弧氧化涂层相比分别提高了21.8％和23.2%。
　　电化学极化与EIS腐蚀测试表明，LY12CZ铝合金在腐蚀环境中具有自钝化行为，浸泡初期的低频段阻抗模值为1.21×104Ω·cm2；相比较陶瓷球表面机械研磨处理后形成的纳米晶层活性高容易诱导生成致密钝化膜，使浸泡初期(0.5h)的阻抗模值提高到5.03×104Ω·cm2，显著提高抗腐蚀性能；而钢球表面机械研磨处理在铝合金表面引入Fe扩散层导致表面钝化膜缺陷增多，使浸泡初期的阻抗模值降低到1500Ω·cm2，使耐蚀性显著降低。随着浸泡时间增加到360h，微弧氧化涂层的抗腐蚀性能逐渐下降，而纳米化-微弧氧化复合改性层的抗腐蚀性能在浸泡初期降低，当腐蚀介质渗透陶瓷外层，与陶瓷外层接壤的纳米晶内层诱导致密钝化膜导致的自修复机制使其表现出更好的抗腐蚀特性。
　　摩擦学行为研究结果表明，陶瓷球表面机械研磨处理提高了LY12CZ铝合金的耐磨性能，同时钢球表面机械研磨处理铝合金与GCr15钢球对磨时，表面Fe扩散层起到良好的减摩作用，摩擦系数＜0.2。5μm厚微弧氧化涂层与GCr15钢球对磨时摩擦系数介于0.1-0.2之间，具有良好减摩性，磨损机理为涂层的微开裂和剥落。涂层厚度为10μm、15μm的微弧氧化涂层及陶瓷外层厚度分别为5μm、10μm和15μm的复合改性层与GCr15钢球对磨时具有相同的磨损机理，为对磨钢球向涂层的材料转移和氧化磨损。与相同陶瓷层厚度的微弧氧化涂层相比，纳米化-微弧氧化复合改性层因硬度较高而具有较好的耐磨性。

目录

LY12CZ铝合金表面纳米化-微弧氧化复合改性层组织结构与性能

STUDY ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF SURFACE NANOCRYSTALLIZATION-MICROARC OXIDATION DUPLEX MODIFIED LAYER FORMED ON LY12CZ ALUMINUM ALLOY

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 微弧氧化技术概况

1.2.1 微弧氧化技术原理及工艺特点

1.2.2 微弧氧化技术研究现状

1.3 铝合金微弧氧化涂层组织结构

1.4 铝合金微弧氧化工艺过程影响因素

1.4.1 电解液的影响

1.4.2 电源模式的影响

1.4.3 电参数的影响

1.5 铝合金微弧氧化涂层性能

1.5.1 拉伸和弯曲性能

1.5.2 疲劳性能

1.5.3 抗腐蚀性能

1.5.4 摩擦学性能

1.6 铝合金微弧氧化存在的问题及拟解决途径

1.7 金属材料表面纳米化研究现状

1.7.1 表面纳米化基本原理和方法

1.7.2 表面自身纳米化技术

1.7.3 表面纳米化对金属材料性能的影响

1.8 本文的主要研究内容

第2章 试验材料与研究方法

2.1 试验用原材料

2.2 纳米化-微弧氧化复合改性层的设计及制备

2.2.1 复合改性层结构设计

2.2.2 表面机械研磨处理(SMAT)

2.2.3 微弧氧化(MAO)

2.3 组织结构及成分分析

2.3.1 X-射线衍射(XRD)分析

2.3.2 扫描电镜(SEM)观察及能谱(EDS)分析

2.3.3 透射电镜(TEM)观察与选区电子衍射(SAED)分析

2.3.4 X-射线光电子能谱(XPS)分析

2.3.5 显微硬度测试

2.3.6 表面粗糙度分析

2.3.7 涂层厚度测定

2.4 残余应力表征

2.4.1 X-射线衍射法

2.4.2 基板曲率法

2.5 力学性能测试

2.5.1 拉伸性能

2.5.2 疲劳性能

2.6 抗腐蚀性能测试

2.6.1 试样封装

2.6.2 动电位极化曲线法

2.6.3 电化学阻抗谱(EIS)法

2.7 摩擦学性能测试

第3章 铝合金纳米化-微弧氧化复合改性层制备与组织结构

3.1 铝合金表面纳米晶层制备及组织结构表征

3.1.1 陶瓷球表面机械研磨纳米化组织结构

3.1.2 钢球表面机械研磨纳米化组织结构

3.2 微弧氧化涂层制备及组织结构表征

3.2.1 XRD物相结构

3.2.2 SEM微观组织结构

3.2.3 表面粗糙度

3.2.4 显微硬度

3.3 纳米化-微弧氧化复合改性层制备及组织结构

3.3.1 XRD物相结构

3.3.2 SEM微观组织结构

3.3.3 纳米化-微弧氧化复合改性层显微组织结构

3.3.4 表面粗糙度

3.3.5 显微硬度

3.4 纳米晶层与纳米化-微弧氧化复合改性层组织结构特点

3.5 本章小结

第4章 铝合金纳米化-微弧氧化复合改性层对拉伸及疲劳性能的影响

4.1 残余应力表征

4.1.1 X-射线衍射法残余应力表征

4.1.2 曲率法残余应力表征

4.1.3 残余应力形成机制

4.2 复合改性层对拉伸性能的影响

4.3 复合改性层对疲劳性能的影响

4.3.1 低周疲劳性能

4.3.2 疲劳断口分析

4.4 本章小结

第5章 铝合金纳米化-微弧氧化复合改性层的 腐蚀学行为

5.1 铝合金抗腐蚀性能

5.1.1 动电位极化曲线

5.1.2 电化学阻抗谱

5.1.3 腐蚀产物

5.2 表面机械研磨处理铝合金抗腐蚀性能

5.2.1 铝合金纳米晶层抗腐蚀性能

5.2.2 Fe扩散层对铝合金抗腐蚀性能的影响

5.3 铝合金表面微弧氧化涂层抗腐蚀性能

5.3.1 铝合金表面5μm厚微弧氧化涂层

5.3.2 铝合金表面10μm厚微弧氧化涂层

5.3.3 铝合金表面15μm厚微弧氧化涂层

5.3.4 微弧氧化涂层腐蚀机理

5.4 纳米化-微弧氧化复合改性层抗腐蚀性能

5.4.1 铝合金纳米化-微弧氧化(5μm厚)复合改性层

5.4.2 铝合金纳米化-微弧氧化(10μm厚)复合改性层

5.4.3 铝合金纳米化-微弧氧化(15μm厚)复合改性层

5.4.4 纳米化-微弧氧化复合改性层腐蚀机理

5.5 微弧氧化涂层与复合改性层耐蚀性比较

5.6 本章小结

第6章 铝合金纳米化-微弧氧化复合改性层的 摩擦学行为

6.1 铝合金摩擦学行为

6.1.1 摩擦系数

6.1.2 磨损形貌

6.2 铝合金纳米晶层摩擦学行为

6.2.1 陶瓷球表面机械研磨处理铝合金

6.2.2 钢球表面机械研磨处理铝合金

6.3 铝合金表面微弧氧化涂层摩擦学行为

6.3.1 铝合金表面5μm厚微弧氧化涂层

6.3.2 铝合金表面10μm厚微弧氧化涂层

6.3.3 铝合金表面15μm厚微弧氧化涂层

6.4 纳米化-微弧氧化复合改性层摩擦学行为

6.4.1 铝合金纳米化-微弧氧化(5μm厚)复合改性层

6.4.2 铝合金纳米化-微弧氧化(10μm厚)复合改性层

6.4.3 铝合金纳米化-微弧氧化(15μm厚)复合改性层

6.5 耐磨性能比较与磨损机理分析

6.5.1 耐磨性能比较

6.5.2 磨损机理分析

6.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历