铝合金表面多功能陶瓷涂层的研究

摘要

铝合金因其比刚度比强度高、密度低、加工性能优良等特点而被广泛地应用于各行各业,航空航天、军工、汽车工业、船舶工业、通讯工程等行业的不断发展对零件表面的要求越来越高。金属基无机陶瓷涂层因具有耐高温、高耐磨、高耐蚀等特点而被广泛地应用在钢铁材料的表面上,而铝合金表面制备陶瓷涂层是一种新尝试。
　　本文主要针对ZL104合金表面制备了多功能陶瓷涂层,重点研究了涂层的制备工艺、材料体系。涂层基本浆料主要成分为:SiO2、Al2O3、Cr2O3、Al等陶瓷粉末,以及硅铬复合溶胶,Na2SiO3、Na2SO4、CaO等添加剂,复合添加材料FeO、Cu2O等。各种成分的作用为:SiO2是高耐磨高耐腐相,具有熔点低的优点,Al2O3作为高强度相,与基体表面的氧化膜层具有晶体共格效应,Cr2O3是一种高耐磨相,还具有缓蚀作用,Si-Cr复合溶胶作为粘结剂起粘结作用的同时,也能通过引入纳米级颗粒来提高烧结活性,Al粉和中间价态的氧化物FeO、Cu2O等在热处理过程中的进一步氧化能产生体积膨胀弥补陶瓷涂层在烧结过程中产生的体积收缩,使涂层达到致密化。
　　制备陶瓷涂层的工艺过程是:以水作为载液,以复合溶胶作为粘结剂,添加多种金属无机氧化物并进行充分搅拌和碾磨,获得分散均匀的无机陶瓷涂料,将其涂覆于ZL104合金的表面,随后在一定温度下进行烧结,得到一层一定厚度的无机陶瓷涂层。通过SEM、EDS、XRD等手段分析涂层的结构和形貌以及机理。通过比对样品的性能,得到最佳预处理工艺为:表面整平→丙酮超声清洗→水浴处理。得到的制备工艺为:涂覆涂层→室温干燥成膜→10℃/s的升温速度升温到520℃保温2h→随炉冷却。
　　研究发现在涂层中添加FeO的量在5％以下时,涂层的烧结性良好,涂层致密,硬度大,热震性、耐磨性和耐水性好,界面处和涂层里面的Fe2O3、Fe2SiO4、(Cr,Fe)2O3、Al2SiO5等新相的产生表明,FeO能良好地促进陶瓷颗粒之间、涂层与基体表面之间的固相烧结,提高涂层强度和界面的结合力。但是随着FeO的添加量的继续增加,涂层变得疏松多孔,耐水性随之下降,而烧结过程中的成分团聚和低硬度质点的产生更使涂层的耐磨性、表面硬度和抗热震性等性能下降,故FeO的含量应该控制在5%以下。
　　研究表明该涂层中Cu2O的含量在20%～25%时各方面的性能最优,界面处和涂层里面的CuO、CuSiO3、CuCrO2、CuAlO2、Al2SiO5等新相的产生表明,Cu2O加入之后,涂层的烧结和界面结合性能良好。其添加量超过25%时,耐水性、烧结致密性、耐磨性、表面硬度和抗热震性等性能随之下降,因此Cu2O的含量应该控制在20%～25%之间。为进一步提高涂层的性能,对所获得的陶瓷涂层的封孔研究表明,用聚四氟乙烯(PTFE)封孔之后得到的光洁的涂层的疏水性、抗吸湿性、耐磨自润滑性均有提高。
　　通过低温烧结可以在铝合金表面制备一层致密的无机陶瓷涂层,涂层与基体结合牢靠,性能良好,在实际应用中具有很广阔的开发前景。

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目录

1 绪 论

1.1 课题来源

1.2 本课题的背景及意义

1.3 金属基陶瓷涂层概况

1.4 铸造铝合金表面陶瓷涂层的制备方法与研究概况

1.5 低温烧结陶瓷的研究概况

1.6 本课题的目标、研究内容和技术路线

2 试验方案及条件

2.1 试验方案

2.2 试验条件

3 Zl104表面陶瓷涂层制备工艺研究

3.1 ZL104表面预处理工艺研究

3.2 陶瓷涂层制备工艺研究

3.3 本章小结

4 SiO2-FeO-Al2O3系陶瓷涂层研究

4.1 SiO2-FeO-Al2O3系陶瓷涂层概述

4.2 SiO2-FeO-Al2O3系陶瓷涂层性能测试

4.3 SiO2-FeO-Al2O3系陶瓷涂层微观分析

4.4 本章小结

5 SiO2-Cu2O-Al2O3系陶瓷涂层研究

5.1 SiO2-Cu2O-Al2O3系陶瓷涂层概述

5.2 SiO2-Cu2O-Al2O3系陶瓷涂层性能测试

5.3 SiO2-Cu2O-Al2O3系陶瓷涂层微观分析

5.4 本章小结

6 涂层封孔处理

6.1 封孔处理工艺

6.2 封孔涂层性能研究

6.3 本章小结

7 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士期间的研究成果和所获奖励