铝合金微凹凸表面微弧氧化膜生长特性及性能研究

摘要

铝合金微弧氧化陶瓷氧化膜具有耐磨、耐蚀、耐热冲击和高绝缘性等优异的物理化学性能，其运用前景广阔。但能耗较高、氧化膜生长速度缓慢等问题限制了该技术的发展。众所周知，在微弧氧化过程中，由于电流的集中效应，放电火花有较强烈的边缘效应，在基体表面转角、边缘和凹槽等处首先出现，然后蔓延到整个平面，在放电火花作用下，氧化膜在垂直于基体表面的方向上生长，一直保持到氧化过程的结束。为了有效利用微弧氧化电流的集中效应和氧化膜垂直于基体表面生长的特征，人为控制氧化膜的生长过程，提高氧化膜的成膜效率和膜层性能展开研究。
　　本文运用机械加工法构建出微米级别的凹凸表面并进行微弧氧化，制备出锯齿型陶瓷氧化膜。使用SEM、EDS、XRD、维氏硬度测试仪和摩擦磨损试验机等设备研究了锯齿型陶瓷氧化膜的生长速率、结构及性能，分析探讨了微凹凸表面氧化膜的生长机理及影响熔接缺陷的因素，并初步探索了锯齿型氧化膜运用在铝合金发动机缸体内表面的优缺点。
　　研究结果表明，微弧氧化过程中微凹槽的尖角处有明显的电流集中效应，此处氧化膜较厚。微凹槽中氧化膜的生长与在平直面上生长不同，初期氧化膜垂直于表面生长，随着氧化时间的延长，凹槽底面和侧面上的氧化膜竞争生长，最后两侧面上的氧化膜相遇并在放电火花的作用下产生熔接，适宜的微槽夹角有利于氧化膜的充分熔接。在一定的微弧氧化参数和微凹槽尺寸下，氧化物能基本填满微凹槽并与微凹槽外部的氧化膜形成连续、致密、平整氧化膜，氧化膜的生长速率得到提高。
　　通过计算熔接缺陷周围非稳态的瞬时点热源温度场，论证了已闭合凹槽内熔接痕被微弧放电火花加热熔接的理论可行性及受热影响的区域半径，并在实验中得到了验证。由于微弧氧化膜具有自愈合能力，随着微弧氧化时间的增加，熔接缺陷有减弱并消失的趋势。但由于电击穿过程熔融氧化物对缺陷的充填不足、氧化膜材料之间的热膨胀系数不匹配、熔融氧化铝冷却过程中晶型转变后的体积收缩、凹槽内气体不易排出等原因，在固定的微凹槽尺寸下熔接缺陷很难完全消失。
　　微凹槽内的氧化膜由于导热环境差，微弧氧化过程中有利于α-Al2O3的晶型转变，锯齿型氧化膜的硬度及耐磨性明显提高。热分析结果表明，锯齿型氧化膜结构受热时在氧化膜-基体界面处会出现一定的应力集中现象，通过改变微凹槽结构能一定程度上缓解应力集中。同时，由于微弧氧化膜的高强度冶金结合方式，应力集中对氧化膜的热震失效影响并不明显。

目录

声明

1 绪论

1.1 铝合金表面工程技术

1.2 微弧氧化技术

1.3 课题研究目的及本文主要内容

2 实验设备及方法

2.1 实验材料及前处理

2.2 实验设备

2.3 实验方法与过程

3 微凹凸表面微弧氧化膜的生长机理研究

3.1 微弧氧化过程中的时间电压曲线

3.2 微凹槽对微弧氧化过程中氧化膜厚度的变化

3.3 微凹槽尺寸对微弧氧化膜的结构影响

3.4 微凹槽内微弧氧化膜的熔接行为

3.5 微凹槽内氧化膜的熔接模型及温度场计算

3.6 铝合金微凹凸表面微弧氧化膜生长过程探讨

3.7 本章小结

4 微凹槽对微弧氧化膜的影响研究

4.1 氧化过程中微凹槽及氧化膜的结构变化

4.2 微凹槽对微弧氧化膜相组成的影响

4.3 微凹槽对氧化膜组成元素分布的影响

4.4 微凹槽对微弧氧化膜硬度及耐磨性能的影响

4.5 本章小结

5 微弧氧化膜ANSYS数值模拟及抗热震性能研究

5.1热分析简介

5.2 热量传输原理

5.3 ANSYS热分析的计算步骤

5.4 陶瓷发动机缸体隔热温度场

5.5 陶瓷发动机缸体热应力场

5.6 微凹槽对氧化膜抗热震性能的影响

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢