铝合金表面原位生长陶瓷膜及摩擦磨损与耐蚀研究-化学工程与技术专业论文.docx

Classified Index: 174.453 U.D.C.:621.193DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringCERAMICCOATINGSGROWN IN-SITUONALALLOYANDTHEIRFRICTIONANDWEARAND CORROSIONRESISTANCECandidate:WuZhendongSupervisor:Prof.JiangZhaohuaAcademicdegreeappliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:ChemicalEngineeringandTechnologyAffiliation：DepartmentofAppliedChemistryDateofDefence:June,2007Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要针对铝合金耐磨、耐蚀性差等问题，利用双相脉冲微弧氧化电源在铝合 金表面原位生长陶瓷膜，研究了不同铝合金基体氧化铝陶瓷膜组成、结构及 性能；系统研究了LY12铝合金微弧氧化黑色氧化铝和氧化锆复合陶瓷膜的组 成，结构及性能，探讨了合金成分对微弧氧化陶瓷膜结构、性能和颜色的影 响及不同电解液体系下的氧化锆陶瓷膜的成膜机制；建立陶瓷膜抗热弹性形 变应力模型，分析热冲击循环过程热应力的变化；运用加速电化学腐蚀的方 法评价了三种电解液体系陶瓷膜的耐腐蚀性；研究了三种电解液体系陶瓷膜 的摩擦行为。利用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、电子探针（EPMA）、 能谱（EDS）和X射线光电子能谱仪（XPS）研究膜层的相组成、形貌、元素 分布和元素价态变化；利用加速的电化学方法评价膜层的耐腐蚀性；利用显 微硬度仪研究膜层硬度的变化特点；利用球盘式滑动干摩擦仪(Si3N4球为摩 擦副)，研究铝合金和陶瓷膜的磨损率和摩擦系数。纯Al和LC9微弧氧化膜分别由α-Al2O3和γ-Al2O3组成，LY12膜层由大量γ-Al2O3和少量α-Al2O3组成。膜层抗热震性按LC9、LY12、Al依次增强；耐腐 蚀性能和与基体结合强度按Al、LC9、LY12依次增强；纯Al、LY12和LC9膜 层的硬度最大值分别为33.4GPpa、22.15GPa和16.8GPa。在Na5P3O10-CrO3溶 液中，LY12铝合金微弧氧化可制得黑色陶瓷膜层，膜层的Cr氧化数为0、+3价、+6，并且以非晶态存在，CrO3能促进γ-Al2O3向α-Al2O3转化、提高成膜速 率、硬度、致密性及耐蚀性。在K2ZrF6-NaH2PO2溶液中，LY12铝合金微弧氧化陶瓷膜主要由m-ZrO2、t-ZrO2和γ-Al2O3组成。负相电流密度增加导致电解液体系状态发生改变，使 得膜层增厚及消除KZr2(PO4)3相；膜层的最大努普硬度可达16.75GPa，与基 体结合强度大于17.5MPa；增加NaH2PO2浓度均可提高膜层的耐点腐蚀性能。 在NaAlO2-K2ZrF6电解液中，陶瓷膜主要由γ-Al2O3、α-Al2O3和少量的c-ZrO2； 少量的K2ZrF6能加速膜层生长、致密性提高、促进γ-Al2O3向α-Al2O3转化及硬度的增大，改善了膜层的耐腐蚀性能；膜层的最大努普硬度达23.41GPa。微弧氧化陶瓷膜一个热冲击循环经历升温、保温和降温3个阶段。K2ZrF6-NaH2PO2电解液体系陶瓷膜加热过程应力由0迅速达到575Mpa，然后缓慢变为780MPa，冲击循环38次以上出现起皮脱落；NaAlO2-K2ZrF6电解液 体系陶瓷膜加热过程应力由0迅速达到558Mpa，然后缓慢变为994MPa，降 温过程为升温过程的逆过程热，热冲击循环次数29次以上出现起皮剥落。微弧氧化陶瓷膜的耐磨性同LY12铝合金相比较显著提高。K2ZrF6-NaH2PO2体系制备的膜层（载荷150g）最小磨损率为1.61×10-6g/min、 摩擦系数在0.35-0.367之间变化，磨损过程由开始阶段的粘着磨损逐步过渡至脆性断裂。NaAlO2-K2ZrF6体系制备的膜层（载荷300g）磨损率为4.33×10-6g/min、摩擦系数最小为0.214；磨损过程由磨料磨损逐步过渡至磨料 磨损和裂疲劳磨损，该体系陶瓷膜耐磨减磨效果最好。Na5P3O10-CrO3体系制 备的膜层（载荷100g）磨损率为2.1×10-5g/min、摩擦系数0.306；摩擦过程表 现为一定程度的塑性变形导致的光滑磨损和脆性断裂。关键词 铝合金；微弧氧化；陶瓷膜；摩擦磨损；腐蚀AbstractInordertosolvethepoorwearandcorrosionproperties,the