【摘要】：Al-Si合金應(yīng)用廣泛,但其耐磨損、耐腐蝕等性能不夠理想;通過微弧氧化技術(shù)(MAO)在其表面形成性能優(yōu)良的陶瓷膜,有望滿足某些苛刻的工況要求。但高Si鋁合金(Si10%)MAO膜層沉積效率較低,性能比低Si鋁合金(Si1%)表面的膜層差,這與Si的影響密切相關(guān)。本文以純Al和Si含量為5%、9%、12%、15%的二元Al-Si合金為基材,重點(diǎn)研究了Si相的作用機(jī)制及兩種預(yù)處理工藝對(duì)Al-Si合金MAO的影響。以變形鋁合金(Si1%)的常規(guī)成膜工藝對(duì)各基體恒流MAO,當(dāng)Si含量達(dá)到12%時(shí),成膜效率明顯變小,膜層耐蝕性顯著變差。通過優(yōu)化Al-12%Si合金的MAO電解液和電參數(shù),可得到較優(yōu)的成膜工藝,其電解液由12 g/L Na2SiO3、2 g/L NaOH和5 g/L C6H12N4組成,正/負(fù)向電流密度為10/-4 A/dm2,頻率為400 Hz,占空比為25%。在30 min恒流MAO優(yōu)化工藝下,隨Si含量增加,基體起弧前時(shí)間由48 s逐漸增至約276 s,起弧電壓逐漸下降,但各基體正向電壓差值隨反應(yīng)進(jìn)行逐漸減小。最終各膜層平均生長(zhǎng)速率逐漸下降,膜層單位體積能耗逐漸增加。以正/負(fù)向電壓分別為450/50 V,而其它參數(shù)與恒流優(yōu)化工藝一致的恒壓模式對(duì)各基體氧化30 min。在氧化初期,Si相在劇烈放電下被大量氧化,其對(duì)各基體后續(xù)成膜的影響明顯減弱,各膜層平均生長(zhǎng)速率相差很小。但隨Si含量增加,各基體在相同時(shí)刻下的正、負(fù)向電流密度逐漸增大,相應(yīng)膜層的單位能耗逐漸提高。恒流和恒壓氧化生成的膜層均由γ-Al2O3、α-Al2O3、莫來石、SiO2等組成。優(yōu)化工藝參數(shù)無法顯著消除Si含量對(duì)Al-Si合金MAO的影響,原因可能與Si相組織相關(guān),因而又研究了Si相尺寸的影響。在基體熔煉時(shí)添加0.05%或0.1%的Sr含量均可明顯細(xì)化Al-12%Si的共晶Si相。恒流氧化30 min時(shí),因共晶Si相尺寸顯著減小,氧化初期Al表面的陽(yáng)極Al2O3膜發(fā)生體積膨脹時(shí)易將共晶Si相上的膜層遮蓋,使裸露在外的SiO2面積減少。故Si對(duì)其成膜初期影響減小,基體陽(yáng)極氧化時(shí)間明顯縮短。而放電一定時(shí)間后,基體Si相細(xì)化程度對(duì)其MAO成膜的影響逐漸減弱。兩種變質(zhì)基體的電壓、膜層特征始終相差較小,說明當(dāng)基體共晶Si相尺寸細(xì)化至一定程度(10~15μm)后,Si相對(duì)Al-Si合金MAO成膜的影響不再產(chǎn)生明顯變化。Sr變質(zhì)基體的MAO膜層組織均勻性和結(jié)構(gòu)致密性均有明顯提高。雖然其膜層也由γ-Al2O3、α-Al2O3、莫來石、SiO2等組成,但膜層的顯微硬度、耐磨性、耐蝕性均有明顯改善。兩種Sr含量變質(zhì)基體的膜層特征相差較小,但0.1%Sr含量變質(zhì)基體表面的膜層性能稍優(yōu)越。基體共晶Si組織細(xì)化有利于提高Al-Si合金MAO膜層的性能,但仍無法提高其成膜效率。鑒于低Si鋁合金MAO成膜效率和膜層性能明顯優(yōu)于高Si鋁合金,又研究了消除基體表層Si相的刻蝕工藝對(duì)Al-Si合金MAO的影響。采用體積比為4:1的濃HNO3(65 wt%)和HF(40 wt%)的混合液對(duì)Al-12%Si合金進(jìn)行刻蝕處理較合適。當(dāng)刻蝕時(shí)間達(dá)到45 s后,基體表層Si含量變得很低(Si0.56%)。此后,隨刻蝕時(shí)間延長(zhǎng),基體表層的Si含量?jī)H略下降。刻蝕基體表層約1~1.5μm深的Si元素被溶解,Al被保留下來。對(duì)未刻蝕、15、30和60 s刻蝕的Al-12%Si合金恒流MAO發(fā)現(xiàn),刻蝕可加快其氧化電壓的上升速率,縮短其陽(yáng)極氧化時(shí)間,提高膜層的生長(zhǎng)速率。但刻蝕時(shí)間對(duì)氧化電壓影響較小。隨氧化進(jìn)行,刻蝕對(duì)基體成膜的影響有所減弱。刻蝕基體的膜層亦由γ-Al2O3、α-Al2O3、莫來石、SiO2等組成。氧化30 min時(shí),刻蝕基體MAO膜層的顯微硬度、耐磨性及耐腐蝕性能均顯著提高。三種刻蝕時(shí)間處理基體的膜層差異相對(duì)較小,膜層性能隨刻蝕時(shí)間延長(zhǎng)略微提升。此外,刻蝕可顯著降低Al-9%Si和Al-15%Si合金表層的Si元素含量,使它們的MAO膜層生長(zhǎng)速率明顯提高,膜層單位體積能耗明顯下降。
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【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG174.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2299442