大面積鋁合金局部放電微弧氧化及熱阻隔膜層制備.pdf

1、隨著航空、航天事業(yè)的發(fā)展，輕量化設(shè)計已成為發(fā)展趨勢。鋁合金因具有較高的比強度，現(xiàn)已在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而隨著飛行速度提升而帶來的嚴重氣動加熱問題，使得通常作為飛行器結(jié)構(gòu)材料的鋁合金已無法承受過高的熱載荷，因此必須對其進行熱防護處理。微弧氧化技術(shù)作為閥金屬表面陶瓷膜原位生長技術(shù)，可以實現(xiàn)高結(jié)合強度、優(yōu)良熱穩(wěn)定性的膜層制備，在熱阻隔膜層制備方面具有廣闊的前景。但因高電壓、大電流以及能量效率低等方面的不足，使其無法實現(xiàn)對大尺寸工件

2、的處理，從而限制了該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。為了實現(xiàn)對大面積工件的微弧氧化處理，本文首先在常規(guī)微弧氧化技術(shù)的前提下，研究了電極間距離對微弧氧化放電的影響，提出了柵網(wǎng)陰極微距微弧氧化方法，有效地降低了氧化電壓，增大了微弧氧化技術(shù)的處理能力。在此基礎(chǔ)上詳細地研究了約束陰極微弧氧化的局部放電特性，通過此方法的采用成功地擺脫了待處理工件尺寸受電源功率輸出的限制，實現(xiàn)了大尺寸工件的微弧氧化處理。同時針對約束陰極大面積微弧氧化技術(shù)所涉及的放電、成膜特點，

3、進行了非同步、非連續(xù)微弧氧化成膜特性研究。此外，為了調(diào)控膜層結(jié)構(gòu)，進而改善膜層熱阻隔效果，本文基于K2ZrF6在堿性溶液中形成帶負電顆粒的作用機理，實現(xiàn)了 K2ZrF6對 Na2SiO3-KOH溶液體系所制備膜層的組織及性能調(diào)制。并借助掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀器（XRD）、X射線光電子能譜（XPS）、透射電子顯微鏡（TEM）等手段分析了膜層的組織和結(jié)構(gòu)，利用同步熱分析儀、熱阻隔、高溫氧化、熱沖擊及火焰燒蝕等測試研究了膜層的熱物理

4、性能。最終，提出了約束陰極大面積微弧氧化系統(tǒng)的設(shè)計與實施方案，為工業(yè)化應(yīng)用提出了依據(jù)，并利用該裝置在 Na2SiO3-KOH-K2ZrF6溶液中，實現(xiàn)了尺寸為2000 mm×1000 mm×1 mm鋁合金表面的熱阻隔膜層制備。
　　電極距離變化對微弧氧化放電特性的影響研究表明，在擊穿放電發(fā)生之前溶液壓降所占比例較?。ú蛔惆俜种?，但當電極表面擊穿放電發(fā)生后，電極間溶液壓降所占比例大幅增加。因此，在微弧氧化放電成膜時，減少電極間距

5、離能夠有效的降低溶液壓降，提高氧化工作時的能量效率。通過柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)陰極的采用，解決了微小電極距離所引起的氣體排放及溶液交換問題，最終使得微距微弧氧化得以實現(xiàn)，有效的降低了微弧氧化電壓。同時，氧化電壓隨電極距離變化研究揭示了電壓隨電極距離減小的非線性降低變化規(guī)律，分析認為這主要是因隨電極距離的減小電極間電場分布由發(fā)散變?yōu)榫鶆蛩隆?br>　　約束陰極微弧氧化放電行為研究結(jié)果表明，采用相對于陽極尺寸較小的陰極，能夠使得電場較為集中的分布于臨近

6、陰極附近的陽極試樣表面，且隨電極間距離的減小，電場集中效果更為明顯，從而很好的實現(xiàn)了大尺寸待處理工件表面的微弧氧化放電局部控制。陰極尺寸變化結(jié)果顯示，隨著陰極尺寸的增加，氧化電流隨之增大，同時陰極下方成膜面積隨之增大。但當電極間距離為5 mm陰極尺寸超過Φ20 mm時，由于“氣罩效應(yīng)”使得微小電極距離微弧氧化不能順暢進行，而柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)陰極很好的解決了上述“氣罩”問題，確保了約束陰極微距微弧氧化的實現(xiàn)。
　　針對約束陰極對大尺寸工件進

7、行處理時涉及的不同區(qū)域不同時序的微弧氧化成膜特性，所進行的非同步微弧氧化試驗研究表明，當處理電壓、時間達到先氧化區(qū)域的成膜條件時，不同區(qū)域的膜層在厚度、結(jié)構(gòu)及性能上能夠達到統(tǒng)一，且不同時序成膜界面處并未出現(xiàn)斷裂及分層等現(xiàn)象。針對約束陰極微弧氧化工件表面某一確定位置處膜層的生長并非一次性完成特點，所進行的非連續(xù)氧化研究表明，非連續(xù)工作模式對膜層生長的影響并不明顯，且對膜層顯微結(jié)構(gòu)影響不大，非連續(xù)氧化模式所形成的膜層與連續(xù)成膜方式的耐磨、耐

8、腐蝕性能隨工作電壓變化具有相同的變化規(guī)律，均隨電壓的增加而提高。
　　基于“K2ZrF6在堿性溶液中形成負電 Zr(OH)4顆?！钡淖饔脵C理，通過K2ZrF6的添加，能夠?qū)?Na2SiO3-KOH溶液中2024鋁合金微弧氧化膜層的結(jié)構(gòu)及性能進行調(diào)制。結(jié)果顯示，K2ZrF6的引入增大了微弧氧化成膜速率，并對膜層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著調(diào)制作用。含 K2ZrF6溶液制得膜層的內(nèi)外表面較為平整，膜層內(nèi)大尺寸缺陷減少。EDX線掃描及 XPS分析表明

9、，添加 K2ZrF6后所形成的膜層中有大量 Zr元素出現(xiàn)，且其含量隨距膜/基界面距離的增加而增加。XRD及 TEM結(jié)果顯示，K2ZrF6添加后制備的膜層中晶態(tài)氧化物含量降低、非晶態(tài)物質(zhì)增多。膜層熱分析測試表明，不同溶液中制備的膜層都具有很好的熱穩(wěn)定性，2024基體經(jīng)微弧氧化處理后抗高溫氧化性能都有所提高。隔熱性能測試顯示，經(jīng)K2ZrF6調(diào)制后的膜層具有更加優(yōu)良的熱阻隔性能。
　　為驗證微距約束陰極微弧氧化對大尺寸工件處理的實用性，