Al-Si合金微弧氧化陶瓷层生长特性及膜层性能研究

摘要

铝硅合金因具有优良的机械性能、物理性能及加工性能而被作为主要的汽车发动机材料，但长期的应用环境需要其表面具有较强的耐腐蚀性能。利用微弧氧化技术在合金表面制备出一层表面光滑致密的陶瓷层，可以有效提升其在使用环境中的耐腐蚀性能，增长其服役寿命，但基体中的硅却制约着微弧氧化工艺的进一步发展。 本论文选取1060纯铝、ZL101、ZL102合金三种硅含量不同的基体，通过对比膜层生长速率、厚度、粗糙度、截面形貌、硬度及耐腐蚀性能，探究硅在铝合金微弧氧化的作用机制:为进一步确定共晶硅尺寸对微弧氧化反应的影响，利用Na对ZL101合金进行变质处理，细化基体中的共晶硅相，通过生长参数及性能对比分析共晶硅相尺寸的影响机制;为寻找简单有效提高ZL102合金膜层质量的工艺方法，分别选取机械打磨、酸液刻蚀、预喷砂处理三种方法对其进行预处理，利用SEM、EDS分析预处理后表面形貌及元素含量的变化，依次对比生长速度及膜层质量，评价预处理工艺对提高膜层性能的可能性。 研究表明:微弧氧化膜的生长速率及膜层质量均会随合金基体中硅含量的增加而不断降低。10 min时，纯铝试样平均厚度值约为8.33μm，平均粗糙度值为0.93μm;ZL102合金的厚度平均值降低为6.75μm，粗糙度平均值减少至0.80μm。阳极氧化阶段，基体表面富Si区与富Al区分别发生了不同的氧化反应，Al基体上主要形成A12O3薄膜，共晶硅上形成粗糙的Si-O化合物，起弧放电优先发生在有Al2O3薄膜生成的位置;经Na变质后的ZL101合金，反应20 min内膜层生长速率始终高于原合金，表面放电孔洞更加均匀。相组成的变化不大，但膜层的硬度及耐腐蚀性能均有所提升。 分别利用机械打磨、酸洗、喷砂的预处理方式对ZL102合金进行预处理，在硅酸盐电解液中进行微弧氧化。实验结果表明：预处理工艺对ZL102合金微弧氧化成膜有较大影响，成膜速率依次为酸洗试样＞机械打磨试样＞喷砂试样;利用氢氟酸及硝酸的混合溶液（体积比2∶1）对ZL102合金酸洗60s，可使表层Si元素含量下降至2.02%左右;电化学曲线及阻抗测试均表明喷砂处理后膜层能够有效保护基体免受腐蚀。

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