基于微弧放電的鋁合金結(jié)構(gòu)表面綠色現(xiàn)場(chǎng)

1、基于微弧放電的鋁合金結(jié)構(gòu)表面綠色現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)新工藝研究韓曉東 吳騁捷 田原 劉偉濤材料科學(xué)與工程學(xué)院指導(dǎo)教師：王亞明 副教授1、課題研究目的本項(xiàng)目針對(duì)飛機(jī)用鋁合金（LZ12）結(jié)構(gòu)表面損傷的外場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的關(guān)鍵問(wèn)題，提出使用新穎的便攜式綠色修復(fù)新裝備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)損傷表面的新工藝方法。首先我們制作特殊的噴淋式陰極裝備和利用便攜式的氧化電源，制備出適合外場(chǎng)修復(fù)的裝備系統(tǒng)；在模擬外場(chǎng)涂層損傷（磨損或腐蝕）的試樣上進(jìn)行微弧氧化前清理工藝優(yōu)化；采用已有的工藝參數(shù)在清理后的清潔表面進(jìn)行微弧氧化處理，揭示不同表面狀態(tài)對(duì)微弧氧化脈沖放電行為、涂層生長(zhǎng)與結(jié)構(gòu)影響；闡明微弧氧化對(duì)金屬表面應(yīng)力的影響及與疲勞壽命的關(guān)系；研究

2、微弧氧化涂層對(duì)鋁合金疲勞與鹽霧腐蝕性能的影響規(guī)律，揭示疲勞與腐蝕作用機(jī)理；對(duì)涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立提高疲勞壽命的特征微結(jié)構(gòu)的形成途徑。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)鋁合金外場(chǎng)修復(fù)用高性能微弧氧化涂層制備技術(shù)的突破，研究成果也可推廣應(yīng)用于鈦合金及鎂合金外場(chǎng)修復(fù)的部件，有力地支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與航空安全。2、課題背景航空器結(jié)構(gòu)與部件表面在涂漆防護(hù)前，需進(jìn)行表面預(yù)處理，一般采用陽(yáng)極化、阿羅丁氧化處理和磷化底漆三種方式1。波音公司的各種機(jī)型飛機(jī)均采用阿羅丁氧化處理，我國(guó)各型飛機(jī)及美國(guó)F-5、F-16等飛機(jī)均采用陽(yáng)極化處理2。陽(yáng)極化及阿羅丁氧化處理因溶液為酸性或含有鉻離子，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重環(huán)境污染問(wèn)題。磷化底漆可直接涂覆在

3、鋁合金板的表面應(yīng)用，也可在陽(yáng)極氧化化處理后涂磷化底漆，但國(guó)產(chǎn)磷化底漆實(shí)際使用時(shí)常有脫落，無(wú)法滿足航空使用要求。而對(duì)于外場(chǎng)修復(fù)常采用陽(yáng)極氧化-膠粘技術(shù)，但此技術(shù)工藝復(fù)雜，且有污染。本項(xiàng)目選用航空器常使用的鋁合金LY12CZ作為試驗(yàn)驗(yàn)證材料，采用我們提出新穎的專門用于現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的便攜式微弧氧化電源及設(shè)計(jì)特殊的噴淋電極裝置，將解決微弧氧化涂層用于外場(chǎng)修復(fù)的難題。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)鋁合金外場(chǎng)修復(fù)用高性能微弧氧化涂層制備技術(shù)的突破，研究成果也可推廣應(yīng)用于鈦合金及鎂合金外場(chǎng)修復(fù)的部件，有力地支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與航空安全。2.2 研究意義對(duì)于將微弧氧化技術(shù)應(yīng)用于外場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，目前制約其應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是微弧氧化龐

4、大的電源與電解槽系統(tǒng)使外場(chǎng)作業(yè)很難實(shí)現(xiàn)，且微弧氧化涂層的腐蝕疲勞性能還不清楚，工程設(shè)計(jì)部門缺少必要的數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目提出采種新穎的專門用于現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的便攜式微弧氧化電源及設(shè)計(jì)特殊的噴淋電極裝置，將解決微弧氧化涂層用于外場(chǎng)修復(fù)的難題，同時(shí)優(yōu)化修復(fù)工藝，獲得抗腐蝕疲勞高性能防護(hù)涂層，這對(duì)于探索航空器腐蝕與損傷的外場(chǎng)維修新方法及豐富修復(fù)控制理論具有重要的科學(xué)意義與工程應(yīng)用價(jià)值。3、課題研究主要內(nèi)容 噴淋式陰極設(shè)計(jì)及設(shè)置方式對(duì)微弧氧化涂層的影響模擬外場(chǎng)局部修復(fù)應(yīng)用場(chǎng)合，研究鋁合金噴淋式微弧氧化工藝（電解液配方、電參數(shù)）與組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系；研究噴淋頭中陰極面積、陰極形狀、陰陽(yáng)極距離與微弧氧化涂層組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

5、3.2 基于微弧放電的外場(chǎng)損傷表面的微弧氧化組織重構(gòu)與形成機(jī)制研究局部磨損或腐蝕損傷表面的清洗工藝（砂紙打磨+溶劑漂洗）對(duì)微弧氧化放電行為、涂層生長(zhǎng)與組織結(jié)構(gòu)的影響；研究損傷表面經(jīng)強(qiáng)力噴丸后組織對(duì)微弧氧化放電行為、涂層生長(zhǎng)與組織結(jié)構(gòu)的影響；通過(guò)電參數(shù)的階段式調(diào)節(jié)制度制備致密結(jié)構(gòu)微弧氧化涂層；揭示不同表面狀態(tài)對(duì)微弧氧化放電行為的影響機(jī)制。3.3 微弧氧化涂層在測(cè)試條件下的腐蝕及疲勞失效機(jī)制研究上述設(shè)計(jì)的不同微結(jié)構(gòu)涂層（原始裸試樣、微弧氧化試樣、噴丸+微弧氧化試樣）與表面應(yīng)力-疲勞壽命的關(guān)系， 研究不同微結(jié)構(gòu)涂層（原始裸試樣、微弧氧化試樣、噴丸+微弧氧化試樣）與中性鹽霧腐蝕的關(guān)系， 揭示局部修復(fù)微

6、弧氧化涂層的腐蝕與疲勞損傷的作用機(jī)制。確立提高疲勞壽命的涂層特征微結(jié)構(gòu)及工藝途徑，并建立模型。4、結(jié)論（成果介紹）4.1 噴射式微弧氧化裝置的建立及工藝采用小型微弧氧化電源裝置和新穎的噴射式陰極，在大面積試樣局部損傷表面成功制備陶瓷涂層，解決傳統(tǒng)的浸入式微弧氧化工藝不能用于外場(chǎng)大面積構(gòu)件局部修復(fù)用涂層制備的難題。獲得階段性成果：完成升級(jí)改造，建立了適合于外場(chǎng)修復(fù)用噴射式微弧氧化裝置。該方面的部分研究結(jié)果將在材料熱處理學(xué)報(bào)雜志上發(fā)表，其它相關(guān)成果正在整理，準(zhǔn)備發(fā)表。主要研究結(jié)果如下：(1) 噴射式微弧氧化裝置的建立圖4.1-1為噴射式微弧氧化裝置示意圖。主要組成為：小型脈沖電源、噴射式陰極頭、電

7、解液循環(huán)系統(tǒng)。小型靈巧脈沖電源提供外場(chǎng)修復(fù)時(shí)微弧氧化的能量；可移動(dòng)式噴射式陰極，使電場(chǎng)局限在陰極輻射到的區(qū)域，在陰極電場(chǎng)輻射到的面積才能放電生長(zhǎng)涂層，適合局部損傷部位外場(chǎng)原位生長(zhǎng)陶瓷修復(fù)涂層；電解液循環(huán)系統(tǒng)與噴射式陰極結(jié)合，與鋁合金構(gòu)件表面在外加電壓作用下構(gòu)成微弧放電的回路。溶液回收溶液循環(huán)泵小型脈沖電源噴射式陰極局部修復(fù)區(qū)域循環(huán)水管連接電纜局部損傷鋁表面圖4.1-1 噴射式微弧氧化裝置示意圖（2）噴射式微弧氧化工藝探索本實(shí)驗(yàn)所采用的材料均為L(zhǎng)Y12CZ鋁合金（GB/T 3620-1994）采用噴射式微弧氧化裝置對(duì)LY12鋁合金進(jìn)行表面陶瓷化處理。用不銹鋼做陰極，試樣做陽(yáng)極，采用硅酸鈉系混合溶

8、液作為電解液。噴射式微弧氧化將電解液噴灑在試件上，在通電狀態(tài)下在陰極噴頭的內(nèi)部形成強(qiáng)電場(chǎng)，作用于試件表面，產(chǎn)生放電，從而制得微弧氧化涂層。 使用噴射式微弧氧化工藝，在以上電解液體系中，在電壓：500V；頻率：600Hz；占空比：8的電參數(shù)下，氧化20min后得到厚度為10um的微弧氧化涂層。如圖5所示可以看到在陰極噴頭內(nèi)部有電火花產(chǎn)生，這是由于在噴頭內(nèi)部形成電場(chǎng)，在鋁板表面放電的緣故。最后局部損傷部位噴淋式微弧氧化后形成的涂層形貌如圖4.1-4所示。 修復(fù)后涂層區(qū)域圖鋁合金表面局部損傷部位噴射式微弧氧化后形成的涂層形貌20mm4.2 噴射式陰極設(shè)置方式對(duì)微弧氧化涂層的影響規(guī)律根據(jù)采用噴射式陰極

9、外場(chǎng)修復(fù)時(shí)可能遇到的工況環(huán)境，重點(diǎn)研究了兩種噴射式陰極設(shè)置方式對(duì)涂層生長(zhǎng)規(guī)律的影響：即噴射式陰極區(qū)域交疊微弧氧化方式和噴射式陰極方位傾斜微弧氧化方式。研究結(jié)果表明：不同設(shè)置方式對(duì)涂層生長(zhǎng)產(chǎn)生些微的影響，但不會(huì)很大程度改變涂層的組織結(jié)構(gòu)，因此期望不會(huì)影響涂層的使用性能。獲得階段性成果：揭示了噴射式陰極設(shè)置方式對(duì)涂層生長(zhǎng)的影響，為進(jìn)一步制備腐蝕考核用試樣提供工藝基礎(chǔ)。該方面的研究結(jié)果正在整理，準(zhǔn)備發(fā)表。（1）噴射式陰極區(qū)域交疊微弧氧化方式對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的影響 1）噴射式陰極區(qū)域交疊微弧氧化方式設(shè)計(jì) 表4.2-1給出設(shè)計(jì)的LY12鋁合金表面區(qū)域交疊微弧氧化工藝參數(shù)。 表4.2-1 LY12鋁合金表面

10、區(qū)域交疊微弧氧化工藝參數(shù)及涂層厚度區(qū)域工藝參數(shù)涂層厚度(m)涂層表面形貌A500V/30minA、B區(qū)域參數(shù)相同，表面形貌無(wú)差別；C區(qū)在B區(qū)基礎(chǔ)上提高電壓，表面顏色加深；D區(qū)顏色最深；B500V/30minC500V/30min+600V/30min18D600V/60minIA&D交疊區(qū)交疊區(qū)表面與D基本相同，厚度略低于DIIA&B交疊區(qū)A、B區(qū)域參數(shù)相同，交疊區(qū)表面顏色與A、B無(wú)差別IIIB&C交疊區(qū)交疊區(qū)表面與C基本相同，厚度略低于CABCDIIIIII圖4.2-1 噴射式陰極不同工藝下制備的涂層及交疊區(qū)2）不同交疊區(qū)域微弧氧化電流密度對(duì)時(shí)間響應(yīng)的關(guān)系 鋁合金基體

11、按表4.2-1 A參數(shù)實(shí)施微弧氧化時(shí)電流密度隨時(shí)間變化如圖4.2-2 A曲線所示。圖4.2-2 不同區(qū)域微弧氧化電流密度隨時(shí)間變化關(guān)系3）不同交疊區(qū)域微弧氧化涂層表面微觀組織結(jié)構(gòu)圖4.2-3 LY12鋁合金不同工藝下微弧氧化涂層表面形貌a)b)c)（2）噴射式陰極方位傾斜微弧氧化方式對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的影響表4.2-2工件與陰極不同傾斜方位微弧氧化對(duì)涂層厚度的影響傾斜方式ABCD涂層厚度（m）4.3 模擬外場(chǎng)局部損傷表面+噴淋式微弧氧化對(duì)比將試樣經(jīng)過(guò)砂紙打磨后，形成較粗糙的金屬表面，再經(jīng)過(guò)微弧氧化工藝處理制得涂層。同時(shí)將它與直接進(jìn)行噴射式微弧氧化進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)均可制得致密性良好的涂層。在電壓600

12、v，占空比12，頻級(jí)600的電參數(shù)下氧化60min，磨損的表面制得厚度為33.7um的涂層，相比較而言，在未經(jīng)打磨的表面上制得厚度為28.4um。同時(shí)記錄電流隨氧化時(shí)間的變化規(guī)律。磨損后微弧氧化過(guò)程中的電流大小小于未磨損的時(shí)，這是因?yàn)槟p后金屬表面形成了很多劃痕和各種缺陷，而微弧放電容易在缺陷處首先發(fā)生，在磨損的缺陷部位將導(dǎo)致涂層過(guò)度生長(zhǎng)，此處涂層厚度也增厚明顯。另外，磨損后缺陷表面容易放電，使涂層厚度增大，導(dǎo)致阻抗值較大，在相同電壓作用下，磨損后的表面微弧氧化時(shí)呈現(xiàn)稍低的電流。4.4 噴淋式微弧氧化涂層鹽水腐蝕研究 噴射式微弧氧化涂層耐鹽水腐蝕性能良好，涂層區(qū)及涂層交疊過(guò)渡區(qū)耐鹽水腐蝕720h后均沒(méi)有腐蝕灰及腐蝕坑出現(xiàn)。5、體會(huì) 實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，有一些困難，但更多的是成功的喜悅。通過(guò)這幾個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，在完成工作目標(biāo)的同時(shí)我們也體會(huì)到學(xué)以致用的樂(lè)趣。雖然以我們的能力完成任務(wù)有很多困難，但這更激發(fā)了我們的學(xué)習(xí)熱情和工作動(dòng)力?！坝y而上”是我們?cè)趲讉€(gè)月中的深刻體會(huì)。對(duì)工藝的設(shè)計(jì)中遇到了很多和想象中的情況相背離的結(jié)果，比如水泵參數(shù)的選取，膠管的密封，噴頭的固定，等等。但是在組內(nèi)的同學(xué)齊心努力下，均得到了解決。出現(xiàn)這么多的問(wèn)題警示著我們，專業(yè)知識(shí)有待提高。通過(guò)實(shí)習(xí)，加深了我對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程等基本知識(shí)的理解，豐富了我的專業(yè)