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原文传递 7N01铝合金表面微弧氧化膜的制备及性能研究

论文题名：	7N01铝合金表面微弧氧化膜的制备及性能研究
关键词：	铝合金;微弧氧化;陶瓷层;搅拌摩擦焊;轨道车辆
摘要：	随着现代铁路运输业的迅速发展，铝合金车体轻量化设计已成为生产制造轨道车辆的必然趋势。7N01铝合金是非常理想的中强可焊结构材料，主要用于轨道高速列车车体的端面梁、底座、侧面构件骨架等重要部件，其服役条件要求工件具有较高的表面硬度，较低的表面粗糙度，且不易发生磨损和腐蚀现象。因此，本文利用微弧氧化（MAO）技术对国产机车用7N01铝合金及其搅拌摩擦焊（FSW）接头进行表面防护处理，在其表面获得均匀一致的陶瓷膜，提高其表面性能，为扩大该类铝合金在交通领域的工程应用提供相关指导和数据基础。　　通过正交设计方法对比筛选适宜的电解液体系及溶液组分配比，利用涡流涂层测厚仪、Image-Pro Plus图像分析软件、精密粗糙度仪，分析讨论工作电压、电流密度、脉冲频率、占空比等工艺参数对陶瓷层厚度与表面特性（表面孔隙率、孔径分布、轮廓支撑率等）的影响，优化工艺参数。结果表明，采用恒流模式，且电流密度设定为5.5 A·dm-2、频率为450 Hz、占空比20％、氧化时间30 min时，在NaAlO2体系电解液（5.5 g·L-1 NaAlO2、1 g·L-1 KOH、3 g·L-1 NaF、0.8 g·L-1 EDTA等）中所获微弧氧化陶瓷层更为连续、完整，硬度大，外观质量良好，小孔径分布比例大，表面孔隙率适宜，表面粗糙度小，轮廓支撑率曲线呈现上凸规律，实际接触面积大，接触刚性好，耐磨性优异。　　利用扫描电镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）等测试技术表征了陶瓷层的微观形貌、物相组成及陶瓷膜层中元素分布情况。微弧氧化陶瓷层表面存在大量放电“喷射孔”、熔岩沉积、微裂纹等微观形貌特征，陶瓷层与基体之间结合良好，放电微孔并未到达界面处。陶瓷层表面主要由Al和O两种元素组成，并沿截面方向呈现梯度变化规律。电解液中的F-、Na+、Ca2+参与到微弧氧化过程，并吸附、保留在放电通道内；从放电微孔喷出的熔融物更易生成γ-Al2O3相，但随着氧化时间的延长，致密层中的α-Al2O3相逐渐增多。　　利用硬度计测取陶瓷膜的维氏硬度值，采用冷热冲击法评价涂层的抗热震性能，通过摩擦磨损试验以及 SEM、EDS等手段，研究了陶瓷层的磨痕形貌、磨屑特征、元素分布及其摩擦磨损机制。结果表明，致密层的硬度值最大，其后则沿基体方向下降。陶瓷层经受50次冷热冲击后未发现起泡和剥落现象，抗热震性能良好。陶瓷层与GCr15钢对摩时的干摩擦系数约为0.5~0.6，干摩擦30 min的磨损量仅为6.19 mg，两者之间主要呈现粘着磨损与轻微磨粒磨损机制。　　分别采用点滴腐蚀、盐雾腐蚀（NSS）和电化学方法研究了微弧氧化陶瓷层的耐腐蚀性能，分析了陶瓷层的耐腐蚀机制。结果表明，陶瓷层表面微孔多为盲孔，能有效阻碍腐蚀介质（Cl-）与基体的接触，呈现局部腐蚀特征。480 h盐雾腐蚀后，陶瓷层的腐蚀率仅为0.019 g·m-2·h-1，经沸水封孔处理后，其腐蚀率下降为5.9×10-3 g·m-2·h-1。均匀一致的微弧氧化陶瓷层能够对FSW接头起到很好的防护作用。微弧氧化处理的FSW接头在96 h盐雾腐蚀后，腐蚀率为0.03g·m-2·h-1，而经沸水封孔处理后，陶瓷层的腐蚀率减小为0.02 g·m-2·h-1。
作者：	刘万辉
专业：	材料学
导师：	刘文彬
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文