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《吉林大学》 2004年
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铝、钛合金微弧氧化陶瓷膜的制备表征及其特性研究

吴汉华  
【摘要】:微弧氧化是一种新型高能量密度材料加工技术。它所制备的陶瓷 膜具有一系列优异的特性,因而得到了人们的高度关注,其中尤其以 铝、钛等金属及其合金的微弧氧化陶瓷膜最受人们的重视。近年来, 国际上主要有俄罗斯,美国和德国等在努力发展和研究这项技术所制 备陶瓷膜的各方面性能及其应用。国内目前只有北京师范大学等极少 数单位在从事这方面的工作。但微弧氧化是一个多种因素控制的复杂 过程,不同的工艺参数对所制备的陶瓷膜特性影响很大。而且其理论 和实验的研究还不全面、不充分。因此,在铝、钛等金属及其合金的 微弧氧化陶瓷膜的制备、表征以及特性方面还有很多的工作要做,所 以,本文把铝合金和钛合金的微弧氧化陶瓷膜当作一种新材料进行全 面、系统、综合评价,重点着眼于成膜条件和参数对形成微弧氧化陶 瓷膜的整体影响,从而获得具有高硬度、弹性好、低摩擦、抗磨损、 抗腐蚀、化学稳定等性能优异的新型功能陶瓷膜。 从这一目的出发,本论文利用自制工频带电流、电压实时数据采 集系统的微弧氧化电源制备了铝、钛合金的微弧氧化样品,研究了基 本工艺参数对陶瓷膜特性的影响,通过优化工艺参数,得到了制备性 能优异的铝、钛合金微弧氧化陶瓷膜的最佳工艺条件,为其今后的实 际应用做准备。在此基础上,我们还自主研制出智能多功能微弧氧化 电源,它的脉冲频率、脉冲宽度可分别调节,工作电流或电压波形有 多种方式可选择,多种电参数可实时监控,并且初步研究了有关参数 对铝、钛合金微弧氧化陶瓷膜生长特性和性能的影响。 本论文的研究主要分为四个部分,其具体内容如下: 在第一部分研究中,采用恒定阴、阳极峰值电压的方法制备了 WP=165 YL12 铝合金的微弧氧化陶瓷膜样品。研究了该条件下,微弧氧化过程 中阴、阳极峰值电流,平均工作电流,陶瓷膜的动态电阻、电阻率、 表面形貌、平均生长速率、显微硬度和相组成等随处理时间的变化规 律。结果发现,这三条电流曲线明显分为五个阶段,陶瓷膜的动态电 阻、电阻率、表面形貌和相组成也分阶段变化。平均成膜速率在0~ 60 分钟之间随处理时间的增加而逐渐增加,超过60 分钟后,随处理 时间的增加逐渐下降。陶瓷膜的显微硬度在0~45 分钟之间随处理时 间增加而快速增加,随后增加的趋势明显减缓,在120 分钟时,氧化 膜的硬度为HV2134,这种膜的耐磨性能优于硬质合金。成膜过程中, 陶瓷膜的动态正/反向电阻不同,一般情况下,正向电阻远大于反向 电阻。微弧氧化陶瓷膜分为表面疏松层和内部致密层,疏松层主要含 γ-Al2O3 相,内部致密层主要含α-Al2O3。此外,还研究了恒定电流密 度下陶瓷膜厚度、成膜速率、表面粗糙度、硬度、表面形貌等随处理 时间的变化规律。结果表明,陶瓷膜的表面形貌呈现圆饼状结构,每 个圆饼中心包含一个放电通道,这种现象是熔融的Al2O3 从放电通道 中流出并在通道口周围迅速凝固所形成的。圆饼的平均直径、氧化膜 的表面粗糙度和膜厚随处理时间线性增加,而成膜速率基本不随时间 变化。微弧放电通道的平均直径随处理时间增加而近似线性增加,放 电通道密度随时间增加呈指数减少。 在第二部分中,我们采用交流脉冲电源仔细研究了阳极电流密 度、阴/阳极电流密度比和处理时间对铝合金微弧氧化陶瓷膜特性的 影响。在优化工艺参数的条件下制备了具有超高显微硬度的铝合金微 弧氧化陶瓷膜。此外,还采用直流脉冲电源研究了电流密度对微弧氧 化陶瓷膜特性的影响。我们的研究结论归纳如下: 首先,阳极电流密度、阴/阳极电流密度比和处理时间对陶瓷膜 的微观结构、相结构、生长特性、耐腐蚀性能、显微硬度等影响很大。 陶瓷膜厚度随处理时间的增加而线性增加,生长速率与阳极电流密度 WP=166 的大小有关,当3ja12 A/dm2 时,陶瓷膜的生长速率随ja 缓慢增加; 但当ja 5 A/dm2 时,陶瓷膜的生长速率迅速增加。 其次,陶瓷膜的生长规律是在初始一段时间内,以向外生长为主, 达到一定厚度后,陶瓷膜的外部尺寸不再增加,甚至略有降低,这时 氧化膜逐渐转向基体内部生长。陶瓷膜分为表面疏松层和内部致密层, 二者的界面在工件原始表面附近,致密层厚度最终可占到总膜厚的 66%以上,打磨掉疏松层后,工件基本上保持原始尺寸。 第三,阳极电流密度ja 和阴/阳极电流密度比jc/ja 对致密层在微 弧氧化陶瓷膜中所占的比例影响很大,不同ja 和jc/ja 可使致密层厚度 占总膜厚的百分比在20~80%之间变化。铝合金微弧氧化陶瓷膜的抗 点腐蚀能力和力学性能与ja 和jc/ja 的大小密切相关。当ja=15A/dm2, jc/ja =0.7 时,所制备的陶瓷膜抗点腐蚀能力最强,显微硬度最高,最 大显微硬度可达到4300HV。 最后,直流脉冲电源的电流密度j 对氧化陶瓷膜的微结构和相组 成具有很大的影响。当j 10 A/dm2 时,氧化陶瓷膜的主要成份是 γ-Al2O3 相;而在j 0 A/dm2 时,氧化膜中α-Al2O3 相的含量占相当大 的比例;但当α-Al2O3 的含量超过60%时,再提高电流密度对α-Al2O3 的含量影响不大,这与交流脉冲微弧氧化陶瓷膜的特性明显不同。从 膜表面到膜与基底的
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TQ174

【引证文献】
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王秀琴;钛及其合金微弧氧化陶瓷膜特性研究[D];延边大学;2004年
2 高成;铝合金微弧氧化陶瓷膜的形成机制及摩擦学特性[D];桂林电子科技大学;2010年
3 徐玲;钛合金表面微弧氧化工艺及性能研究[D];沈阳理工大学;2009年
4 钱思成;铝微弧氧化膜的制备及其性能研究[D];大连理工大学;2007年
5 李佳庆;铝合金表面不同颜色微弧氧化陶瓷层的制备工艺研究[D];吉林大学;2011年
6 侯亚丽;ZA43高铝锌合金微弧氧化技术的研究[D];江苏大学;2005年
7 贾锁杰;钛合金微弧氧化表面改性耐磨性研究[D];西安建筑科技大学;2007年
8 施元;钛合金微弧氧化电参数对成膜特性及表面性能的影响[D];哈尔滨工业大学;2007年
9 樊康乐;低热损耗镁合金微弧氧化工艺的研究[D];兰州理工大学;2010年
10 冯欣荣;多功能微弧氧化电源的设计[D];吉林大学;2004年
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