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铝合金表面蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层制备及性能研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 微弧氧化技术

1.2.1 微弧氧化技术简介

1.2.2 微弧氧化技术原理

1.2.3 微弧氧化技术特点

1.3 微弧氧化技术发展及研究现状

1.4 本文的主要研究内容及方案

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究方案

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料及样品制备

2.1.1 铝合金基体成分及试样制备

2.1.2 电解液组成及制备

2.1. 3 蛇纹石微纳米颗粒制备及分散修饰

2.2 实验设备及实验方案

2.2.1 实验设备

2.2.2 试验方案

2.3 微弧氧化陶瓷膜层表征及性能测试

2.3.1 微弧氧化陶瓷膜层结构表征

2.3.2 微弧氧化陶瓷膜层成分、相分析

2.3.3 微弧氧化陶瓷膜层性能测试

第3章 蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层制备工艺参数优化

3.1 电解液的选择及蛇纹石微纳米颗粒的分散优化

3.1.1 电解液的选择

3.1.2 蛇纹石微纳米颗粒的分散优化

3.2 电源模式的选择

3.3 电参数及电解液中蛇纹石微纳米颗粒浓度优化

3.3.1 微弧氧化膜层厚度指标优化分析

3.3.2 微弧氧化膜层粗糙度指标正交优化分析

3.3.3 微弧氧化膜层中蛇纹石含量指标正交优化分析

3.4 本章小结

第4章 蛇纹石微纳米颗粒对微弧氧化陶瓷膜层的影响

4.1 蛇纹石微纳米颗粒对微弧氧化陶瓷膜层结构的影响

4.1.1 蛇纹石微纳米颗粒对微弧氧化陶瓷膜层厚度的影响

4.1.2 蛇纹石微纳米颗粒对微弧氧化陶瓷膜层粗糙度的影响

4.1.3 蛇纹石微纳米颗粒对微弧氧化陶瓷膜层表、截面形貌的影响

4.2 蛇纹石微纳米颗粒对微弧氧化陶瓷膜层成分和相组成的影响

4.3 蛇纹石微纳米颗粒对铝合金微弧氧化陶瓷层性能的影响

4.3.1 蛇纹石微纳米颗粒对微弧氧化膜层硬度的影响

4.3.2 蛇纹石微纳米颗粒对微弧氧化膜层耐腐蚀性能的影响

4.3.3 蛇纹石微纳米颗粒对微弧氧化膜层耐磨损性能的影响

4.4 本章小结

第5章 蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层自修复性能试验研究

5.1 蛇纹石微纳米颗粒微观形貌、元素成分及相组成

5.2 蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层自修复性能

5.2.1 摩擦磨损试验

5.2.2 摩擦系数曲线

5.2.3 磨损表面形貌

5.2.4 磨损失重及磨损表面显微硬度

5.2.5 磨损表面能谱分析

5.3 蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层自修复性能试验研究

5.3.1 摩擦磨损试验

5.3.2 摩擦系数曲线

5.3.3 磨损表面形貌

5.3.4 磨损失重及磨损表面显微硬度

5.3.5 磨损表面能谱分析

5.3.6 自修复层分布、厚度及相组成

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介

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摘要

铝合金活塞在服役过程中工作环境恶劣,不但要承受高温高压,而且要克服摩擦磨损以及强腐蚀等条件。然而铝合金表面硬度低、易磨损、耐腐蚀性差等缺陷限制了铝合金活塞的进一步应用。因此,对铝合金活塞表面进行强化处理,对于提高柴油机缸套一活塞组件的可靠性具有非常重要的意义。通过微弧氧化技术可以在铝合金表面原位生长一层具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀等性能的陶瓷层,在电解液中添加蛇纹石微纳米颗粒,有望制得具有自修复功能的复合陶瓷层。
  为此,本文在铝合金活塞制造材料(高硅铸造铝合金)ZL109铝合金表面制备蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层。首先,优化制备蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层的工艺参数。然后,探究蛇纹石对微弧氧化陶瓷膜层结构、成分和性能的影响。最后,采用蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层与铸铁摩擦副进行摩擦磨损试验,探究蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层对铁基金属摩擦副的自修复性能。
  结果显示:本文试验条件下,制备蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层优化后的工艺参数为,电解液成分及浓度:Na2SiO310g/L,(NaPO3)630g/L,KOH5g/L;电参数:单向恒流模式,正向电流8A,频率500Hz,占空比20%;蛇纹石添加浓度10g/L;添加蛇纹石微纳米颗粒增加了微弧氧化膜层生长速率、最终厚度和表面粗糙度,膜层表面微孔数量减少、孔径增大,膜层致密度提高;相比未添加蛇纹石制得的微弧氧化膜层,添加蛇纹石制得的蛇纹石复合微弧氧化膜层硬度提高19.3%,抗磨损性能提高49.2%,耐腐蚀性能明显改善;采用蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层与球墨铸铁进行摩擦磨损试验,球墨铸铁盘的磨损失重减少21.7%,磨损表面的显微硬度提高19.0%,并且在磨损表面检测到了蛇纹石的特征元素(Mg元素);在蛇纹石复合微弧氧化陶瓷膜层表面均匀涂抹一层蛇纹石粉体,与球墨铸铁进行摩擦磨损试验,在载荷为100N和200N时,球墨铸铁盘磨损表面形成明显的自修复保护层。

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