本文針對高功率密度發(fā)動機(jī)活塞對鑄造Al-Si(硅含量11~14%)合金表面防護(hù)涂層的迫切需求,利用微弧氧化技術(shù)在鑄造Al-Si合金表面制備微弧氧化陶瓷膜層。采用正交試驗法優(yōu)化了硅酸鹽電解液體系微弧氧化工藝參數(shù);并借助掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)和X射線衍射(XRD)等測試手段系統(tǒng)研究了微弧氧化膜層元素成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)及生長機(jī)理;評價了微弧氧化膜層的耐蝕性能、耐磨性能、導(dǎo)熱隔熱性能及抗熱疲勞性能,揭示了其腐蝕、摩擦磨損、隔熱及熱疲勞機(jī)理,并采用臺架試驗對頂面微弧氧化的鋁合金活塞進(jìn)行了性能考核。采用優(yōu)化工藝在鑄造Al-Si合金表面制備的微弧氧化膜層主要由莫來石(mullite,3Al_2O_3·2SiO_2)、α-Al_2O_3、γ-Al_2O_3相組成。微弧氧化膜層的厚度隨著氧化電流密度和氧化時間的增加而增加,氧化膜層中莫來石、α-Al_2O_3相含量隨著微弧氧化膜層厚度的增加而增加,膜層中致密層厚度也隨氧化膜厚度的增加而增加。微弧氧化膜層的生長速率呈先大后小的趨勢。氧化過程中鋁合金基體中的初晶硅轉(zhuǎn)移至膜層表面或電解液中,導(dǎo)致氧化膜層內(nèi)部出現(xiàn)較大尺寸的孔洞。3.5%NaCl溶液中,Cl~-主要通過擴(kuò)散的方式滲入膜層,并吸附在氧化膜層表面取代Al_2O_3中的O~(2-),生成Al-O-Cl可溶性化合物,造成膜層破壞;同時陽極反應(yīng)產(chǎn)物Al~(3+)與陰極反應(yīng)產(chǎn)物OH~-反應(yīng)生成的腐蝕產(chǎn)物在膜孔中不斷集聚,產(chǎn)生自封孔作用,從而對Cl~-滲入起到阻礙作用,一定程度上抑制了腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行,且膜層越厚,這種抑制作用越明顯。1%Na_2S溶液中,Na_2S水解產(chǎn)生的高濃度OH~-一方面通過膜孔進(jìn)入氧化膜層,與基體反應(yīng)生成Al(OH)_3,對基體產(chǎn)生腐蝕,另一方面高濃度OH~-對氧化膜層也會產(chǎn)生溶解作用,導(dǎo)致氧化膜層破壞,因此鑄造Al-Si合金基體及其微弧氧化膜層在1%Na_2S溶液中的耐蝕性能遠(yuǎn)低于在3.5%NaCl溶液中耐蝕性能,腐蝕反應(yīng)過程中生成的腐蝕產(chǎn)物在膜孔中大量集聚,使得陽極極化后期出現(xiàn)明顯的鈍化現(xiàn)象,且膜層越厚,鈍化現(xiàn)象越顯著。采用優(yōu)化工藝制備的微弧氧化膜層耐蝕性隨厚度增加而增強(qiáng),但是超過一定厚度后耐蝕性開始下降。干摩擦試驗條件下,微弧氧化膜層的摩擦系數(shù)高于鑄造Al-Si合金基體,但是耐磨性能優(yōu)于鑄造Al-Si合金基體;微弧氧化膜層耐磨性能隨著膜層厚度的增加而增加。鑄造Al-Si合金基體及微弧氧化膜層的磨損率隨著載荷和滑動速率的增加而增加,微弧氧化膜層的摩擦系數(shù)隨載荷增加而降低,微弧氧化膜層表層的摩擦系數(shù)低于底層摩擦系數(shù)。油潤滑條件下微弧氧化膜層摩擦系數(shù)是干摩擦試驗條件下的1/8~1/5,鑄造Al-Si合金基體摩擦系數(shù)是其干摩擦試驗條件下的1/7~1/5,潤滑介質(zhì)大幅降低了微弧氧化膜層及鑄造Al-Si合金基體的摩擦系數(shù),提高了微弧氧化膜層及鑄造Al-Si合金基體的耐磨性能。高溫條件下,鑄造Al-Si合金強(qiáng)度下降,在摩擦載荷作用下Al-Si合金塑性變形量增大,導(dǎo)致摩擦過程中摩擦接觸面積增大,致使摩擦系數(shù)升高;同時微弧氧化膜層猶如雞蛋殼,在摩擦載荷的循環(huán)作用下易開裂和剝落從而失效。微弧氧化膜層磨削顆粒黏附在磨痕表面,在基體表面形成強(qiáng)化層,使得氧化膜層的摩擦系數(shù)顯著低于基體。鑄造Al-Si合金基體和微弧氧化膜層的磨損率隨溫度升高而增加,相同條件下微弧氧化膜層的磨損率低于基體。鑄造Al-Si合金微弧氧化膜層熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)隨著膜層厚度的增加而增加,隨著測試溫度的增加而減少,微弧氧化膜導(dǎo)熱系數(shù)相對于鋁合金基體下降2~3個數(shù)量級。采用ANSYS數(shù)值分析軟件對不同厚度微弧氧化膜的隔熱性能進(jìn)行模擬,結(jié)果顯示:穩(wěn)態(tài)條件下,膜厚55μm的微弧氧化膜隔熱效果最好;耐熱試驗顯示55μm厚的微弧氧化膜隔熱溫度約為20℃,經(jīng)微弧氧化處理后,基體耐熱溫度提高約67℃,使其耐耐熱試驗時長提高1倍。鑄造Al-Si合金微弧氧化膜層具有良好的抗熱震性能和膜基結(jié)合力,膜厚55μm的微弧氧化膜層試樣經(jīng)60次空冷熱震和水冷熱震試驗后,膜層表面均未出現(xiàn)肉眼可見的裂紋和膜層脫落現(xiàn)象。頂面經(jīng)微弧氧化處理后鋁合金活塞具有良好的熱疲勞性能,經(jīng)1000次循環(huán)熱沖擊試驗后鋁合金活塞表面微弧氧化膜層未見失效現(xiàn)象;并通過了50小時臺架試驗考核。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG174.4
【部分圖文】：

輕量化對鋁活塞合金的性能要求不斷提高，為此美國航空航天局（NASA）研制出了MSFC-398過共晶鋁硅活塞合金和MSFC-388共晶鋁硅活塞合金，兩種合金的典型微觀組織見圖1-1[1]。圖1-1 兩種鋁合金的微觀組織Fig.1-1 Microscopic structure of two kinds of Al alloy

Wenbin Xue等[22~25]研究顯示（如圖1-2所示），在2024鋁合金上制備的微弧氧化膜層分外層疏松層（Ⅲ）和內(nèi)層致密層（Ⅱ），膜層主要由α-Al2O3和γ-Al2O3組成，致密層維氏硬度和彈性模量分別為600～1200Hv和280～390 GPa，氧化處理前后，鋁合金基體的微觀結(jié)構(gòu)沒有改變，雖然氧化處理后基體材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量均有減少，但是幅度不超過5%。因此鋁合金微弧氧化技術(shù)在高耐蝕、高耐磨、隔熱、絕緣等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。圖1-2 微弧氧化膜層微觀形貌((a)表面，(b)截面)Fig.1-2 The morphology of MAO coating((a) surface,(b) cross section)關(guān)于微弧氧化技術(shù)的起源可以追溯到十九世紀(jì)，最初Sluginov報道了在電解過程中產(chǎn)生放電的現(xiàn)象

用TEM、XRD等研究了微弧氧化膜層的結(jié)構(gòu)組成，研究結(jié)果顯示氧化膜內(nèi)層主要由直徑約500nm的晶相顆粒組成，結(jié)構(gòu)致密，外層為由無定形和晶態(tài)物質(zhì)組成的混合物，其中還有一些孔隙（如圖1-3所示）。氧化過程的前一小時，氧化膜主要由γ-Al2O3組成，氧化兩小時后，膜層由γ-Al2O3、多鋁紅柱石、α- Al2O3和δ- Al2O3組成，隨著氧化時間的再延長，膜層中不再有新相出現(xiàn)。圖1-3 微弧氧化膜層TEM ((a)內(nèi)層，(b)外層)Fig.1-3 The TEM of MAO coatings((a)inner layer ,(b)outer layer)Wenbin Xue等[40]研究顯示微弧氧化開始階段，氧化膜厚度隨著氧化時間線性增長
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本文編號：2893085