Al-12Si合金表面CPED热防护涂层组织与性能的研究

摘要

本文采用纳米微结构材料（ZrO2纳米棒、碳纳米管）诱导阴极等离子体放电，通过阴极等离子体电解沉积（Cathodic Plasma Electrolytic Deposition,CPED）技术在Al-Si合金表面制备改性的热防护涂层。研究ZrO2纳米棒、碳纳米管及氯铂酸对CPED陶瓷层组织形貌、物相、断裂韧性、抗弯强度、隔热性能和热冲击性能的影响，探究组织及性能演变规律，并探讨其参与CPED过程的成膜机理；研究预制阻挡膜对CPED成膜过程、微观形貌、物相和隔热性能的影响及等离子体放电行为和机理。通过SEM和XRD分别对陶瓷层的形貌特征及物相组成进行表征；采用涡流测厚仪、电子万能试验机、自制隔热测试装置及热冲击设备分别对陶瓷层的厚度、断裂韧性、隔热性能和抗热冲击性能进行评价；运用高速视频摄像机获取等离子体火花放电状态，通过ANSYS软件模拟放电通道内及附近区域的温度场分布，研究等离子体放电机理。
　　本研究主要内容包括：⑴通过ANSYS软件模拟计算发现，CPED制备涂层过程中等离子体放电通道内部的温度明显高于PEO(Plasma Electrolytic Oxidation,PEO)制备涂层过程中等离子体放电通道内的温度，但均超过5500℃。CPED等离子放电比PEO等离子体放电产生更高的能量、反应更为剧烈。⑵通过对预制膜厚度的研究发现，预制膜厚度为9μm时，陶瓷涂层的放电通道数目更多、涂层更为均匀，较快出现高温稳定相Zr3Y4O12，可以更好地促进等离子体放电，隔热性能更好。⑶与传统电解液相比，ZrO2纳米棒、碳纳米管及氯铂酸的加入可以降低起弧电压，促进阴极等离子体微弧放电，提高陶瓷涂层表面放电通道数目；由XRD图谱分析可知，涂层主要物相有α-Al2O3、SiO2、t-ZrO2和 Zr3Y4O12；随着氯铂酸浓度的增大，Pt的衍射峰增强，涂层中Pt颗粒的含量增加。⑷随着引入的ZrO2纳米棒水热时间的增长，CPED陶瓷涂层隔热性能提高；随着电解液中加入碳纳米管浓度的增加，CPED陶瓷层的隔热温度先升高再降低；而随着加入氯铂酸浓度的增大，涂层隔热温度先呈现上升的趋势，达到0.16g/L浓度时隔热温度基本保持不变。500次热冲击性能测试结果表明，CPED陶瓷涂层均具备较好的热冲击性能。⑸与普通的锆钇盐体系相比，引入 ZrO2纳米棒、碳纳米管、氯铂酸，可以提高陶瓷涂层的韧性。随着引入的氧化锆纳米棒水热时间的增长，涂层的断裂韧性先增大后减小，引入水热24h条件下的氧化锆纳米棒得到的CPED陶瓷涂层的断裂韧性更优；随着碳纳米管浓度的增加，CPED陶瓷涂层的断裂韧性提高；随着氯铂酸浓度的增加，CPED陶瓷涂层的断裂韧性更高。ZrO2纳米棒、碳纳米管主要通过桥联、裂纹偏转(或分岔)和拔出等机理增韧陶瓷涂层；而 Pt颗粒则是通过塑性变形吸收裂纹扩展的能量，钝化裂纹尖端，増大了裂纹尖端曲率半径，阻止了裂纹的继续扩展，同时也可通过桥联、裂纹偏转增韧陶瓷涂层。

目录

1.绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究目的和主要内容

2.实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验药品及仪器

2.3 阴极等离子体电解沉积过程研究

2.4 阴极等离子体电解沉积陶瓷层组织和物相分析

2.5 阴极等离子体电解沉积陶瓷层性能测试

2.6技术路线

3.等离子体放电过程及放电行为研究

3.1弧光参数的测定及模型的建立

3.2 等离子体放电通道温度场分布

3.3 不同等离子体放电方式对放电过程及涂层组织结构的影响

3.4 本章小结

4.预制膜对铝合金CPED陶瓷层组织及隔热性能的影响

4.1 不同生长阶段的CPED陶瓷层的微观形貌

4.2 CPED陶瓷层元素分析

4.3 CPED陶瓷层的不同成膜阶段物相分析

4.4陶瓷层的隔热性能分析

4.5 本章小结

5. ZrO2纳米棒对CPED陶瓷层组织及性能的影响

5.1 不同水热时间ZrO2纳米棒形貌及物相分析

5.2不同水热时间的ZrO2纳米棒对CPED起弧电压的影响

5.3. ZrO2纳米棒对CPED陶瓷层微观形貌的影响

5.4. ZrO2纳米棒作用下的CPED陶瓷层的EDS分析

5.5陶瓷涂层的物相分析

5.6 ZrO2纳米棒对陶瓷层性能的影响

5.7 ZrO2纳米棒对CPED陶瓷层的增韧机理

5.8本章小结

6.碳纳米管对CPED陶瓷涂层组织及热防护性能的影响

6.1碳纳米管的微观形貌

6.2碳纳米管的浓度对起弧电压的影响

6.3碳纳米管对CPED陶瓷层微观形貌的影响

6.4 不同浓度碳纳米管制备陶瓷层的EDS分析

6.5不同碳纳米管含量下涂层的相成分XRD分析

6.6碳纳米管浓度对CPED陶瓷涂层性能的影响

6.7 碳纳米管增韧机理

6.8本章小结

7.铂颗粒改性氧化锆陶瓷涂层的研究

7.1氯铂酸浓度对CPED起弧电压的影响

7.2氯铂酸对CPED陶瓷层微观形貌的影响

7.3不同浓度氯铂酸作用下的CPED陶瓷层EDS分析

7.4不同氯铂酸含量下涂层的相成分XRD分析

7.5氯铂酸对CPED陶瓷涂层性能的影响

7.6 铂颗粒增韧CPED陶瓷涂层抗剥落机理

7.7氯铂酸作用下的CPED陶瓷涂层的成膜机理的研究

7.8 三种不同增韧机理的探讨

7.9本章小结

8.结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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