LY12铝合金表面微弧氧化膜层制备及热阻隔应用研究

摘要

随着航天、航空工业中各种飞行器飞行速度不断提高，服役环境越来越恶劣，飞行器表面气动加热和热冲击问题十分突出。飞行器用材料要求具有足够高的强度和刚度，通常作为结构材料的铝合金难以承受如此高的热载荷，而限制了铝合金的广泛应用。因此必须对其表面进行热防护处理。微弧氧化技术在金属表面原位生长陶瓷膜，可以制备高结合强度、优良热稳定性和耐热冲击性能的膜层。本文针对微弧氧化膜层的上述特点，制备优良热阻隔性能的膜层。
　　本文首先选定了硅酸钠体系做为制备热阻隔膜层的电解液体系。研究了不同反正向电流比j-/j+对微弧氧化电特性、生长速率及能耗的影响。结果显示：反向电流对放电过程产生调制作用，柔化了放电过程，提高了膜层的生长速率，降低了膜层的单位能耗。通过向电解液中添加氟锆酸钾的方式，大大提高了膜层生长速率，较Na2SiO3-KOH体系单位能耗大大降低，随着K2ZrF6浓度的提高，膜层生长速率提高，单位能耗降低。
　　通过SEM及附带的能普和XRD测试分析了膜层的形貌、成分和结构。在Na2SiO3-KOH体系中，反向电流对微弧放电产生了柔化作用，对膜层的形貌、结构、成分产生了影响，使膜层的致密度提高。当j-/j+=0.5时，膜层中大缺陷消失，孔洞尺寸小，分布均匀，膜层质量最好，并使得膜层的晶体峰明显减少，非晶相增多。Na2SiO3-K2ZrF6-KOH体系中，反向电流的引入，改善了j-/j+=0时放电通道残留的孔洞尺寸，表面形成的“圆饼”尺寸小。截面形貌显示，与Na2SiO3-KOH体系中制备的膜层相比，膜层质量较好，且反向电流引入之后，膜层中的晶体相含量提高。各浓度下膜层的形貌和结构相差不大，膜层由内向外，Si和Zr元素含量逐渐升高。
　　经微弧氧化处理之后，铝合金的拉伸性能基本上没有受到影响；耐磨性能提高，有效地保护了铝合金基体。热冲击测试显示，膜层与基体结合良好。对比分析可知，反向电流的引入提高了膜层与基体的结合力。LY12铝合金经微弧氧化处理之后，抗高温氧化性能提高。火焰烧蚀测试结果显示，微弧氧化膜层提高了LY12铝合金基体的抗火焰烧蚀能力。Na2SiO3-KOH体系中不同j-/j+对膜层隔热性能的研究表明，j-/j+=0.5时膜层的隔热性能最好，15min之后温度为180℃，比基体15min之后的212℃低32℃。电解液中K2ZrF6的引入提高膜层的隔热性能。当K2ZrF6浓度为7g/L厚度为90μm的膜层隔热性能最好，15min后比基体温度低45.5℃。

目录

LY12铝合金表面微弧氧化膜层制备及热阻隔应用研究

PREPARATION OF MICRO-ARC OXIDATION COATINGS ON LY12 ALUMINIUM ALLOY AND ITS APPLICATION IN HEAT INSULATION

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

课题背景

热障涂层

热障涂层的制备方法

热障涂层的研究进展

微弧氧化工艺的国内外研究现状

微弧氧化技术

微弧氧化技术研究进展

微弧氧化膜层热阻隔性能的研究现状

本课题主要研究内容

第2章 实验材料及方法

2.1引言

2.2实验材料

2.3微弧氧化系统

2.4微弧氧化膜层的制备方法

2.4.1微弧氧化电解液的选择与配制

2.4.2微弧氧化膜层制备

2.5微弧氧化膜层形貌与结构分析

2.5.1涂层厚度测试

2.5.2微弧氧化过程中能耗的计算

2.5.3扫描电镜观察

2.5.4 XRD相结构分析

2.6微弧氧化膜层性能分析

2.6.1拉伸性能

2.6.2摩擦磨损性能

2.6.3热冲击性能

2.6.4抗高温氧化性能

2.6.5火焰烧蚀性能

2.6.6热阻隔性能

第3章 微弧氧化电特性、成膜速率及能耗

3.1引言

3.2 Na2SiO3-KOH电解液体系

3.2.1反向电流对微弧氧化放电形态的影响

3.2.2反向电流对电特性、成膜速率及能耗的影响

3.2.3 Na2SiO3浓度对电特性、成膜速率及能耗的影响

3.3 Na2SiO3- K2ZrF6-KOH 体系

3.3.1 反向电流对电特性、成膜速率及能耗的影响

3.3.2 K2ZrF6浓度对电特性、成膜速率及能耗的影响

3.4 小结

第4章 LY12铝合金微弧氧化膜层形貌与结构

4.1引言

4.2 Na2SiO3-KOH体系微弧氧化膜层形貌和成分

4.2.1反向电流对微弧氧化膜层形貌和成分的影响

4.2.2 硅酸钠浓度对膜层形貌和成分的影响

4.3 Na2SiO3-K2ZrF6-KOH体系微弧氧化膜层形貌和成分

4.3.1反向电流对微弧氧化膜层形貌和成分的影响

4.3.2氟锆酸钾浓度对膜层形貌和成分的影响

4.4本章小结

第5章 LY12 铝合金微弧氧化膜层力学及热物理性能

5.1引言

5.2 LY12 铝合金微弧氧化膜层的拉伸性能

5.3 LY12 铝合金微弧氧化膜层的摩擦磨损性能

5.4 LY12 铝合金微弧氧化膜层的热冲击性能

5.5 LY12 铝合金微弧氧化膜层的高温氧化

5.6 LY12 铝合金微弧氧化膜层的抗烧蚀性能

5.7 LY12 铝合金微弧氧化膜层热阻隔性能

5.7.1上同正反向电流比膜层的热阻隔性能

5.7.2 引入反向电流前后膜层热阻隔性能比较

5.7.3 氟锆酸钾浓度对膜层热阻隔性能的影响

5.8本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢