TA15合金经微弧氧化后的腐蚀与疲劳性能

论文摘要

本文采用三种电解液体系（Al-P2、Al-P3-B和Al-P3-Si）中在TA15合金（Ti6Al2Zr1Mo1V）表面制备了微弧氧化陶瓷涂层。利用XRD、SEM和EDS等分析方法和极化曲线、交流阻抗谱、盐雾试验和电偶试验等腐蚀测试方法研究了涂层的组织结构和耐腐蚀性能。采用不对称拉伸疲劳试验研究了微弧氧化涂层对TA15合金疲劳寿命的影响规律。结果表明,涂层可以分为内外两层,内层致密,外层疏松多微孔。随着氧化时间的延长,涂层厚度逐渐增加,内层变得更加致密,但由于涂层向局部基体过度生长,导致涂层与基体的结合面逐渐变的凹凸不平。涂层结构取决于电解液组成,Al-P2和Al-P3-B涂层以Al2TiO5为主,Al-P3-Si涂层以金红石型TiO2为主,还含有少量的非晶相。与TA15合金相比,Al-P2、Al-P3-B及Al-P3-Si涂层的自腐蚀电位分别提高了0.636V、0.58V和0.692V。随氧化时间延长,Al-P3-Si涂层厚度增加,自腐蚀电位提高,自腐蚀电流增大。涂层的阻抗值大于TA15合金取决于致密的内层,随氧化时间的增加,Al-P3-Si涂层内层阻抗值增大,分别为1.16×106?·cm2 （10min）、1.2×106?·cm2 （30min）、3.8×106?·cm2 （50min）。在浓度为5%的NaCl盐雾条件下腐蚀720h后,TA15合金与Al-P3-Si涂层（30min）的质量损失率分别为1.5625mg/（h·m2）和0.43403mg/（h·m2）,涂层的质量损失率明显低于TA15合金。在浓度为3.5%的NaCl溶液中进行电偶试验15天后,钢/TA5合金及钢/Al-P3-Si涂层（30min）偶联时的平均电偶电流密度分别为1.5683（μA/cm2）和0.2467（μA/cm2）,后者明显低于前者,涂层良好的绝缘性能,降低了电偶腐蚀敏感度。微弧氧化30min的Al-P3-Si涂层试样,随疲劳应力由550MPa增加至750MPa,疲劳寿命由9.834×104周次减小至3.005×104周次。疲劳应力水平σmax=750MPa时,基体的疲劳寿命为2.08×106周次,而涂层试样氧化10min时的疲劳寿命为2.57×104周次,氧化30min时为3×104周次,涂层试样的疲劳寿命低于TA15合金。TA15合金先喷砂再微弧氧化可提高涂层试样的疲劳寿命,σmax=750MPa时前者的疲劳寿命是后者的2.7倍。TA15合金表面涂层的生长降低了基体的疲劳寿命,主要原因在于涂层向局部基体过度生长区域引起的应力集中和基体近界面处的残余拉应力的作用。火花在局部基体处持续放电,该处基体过度氧化,形成深入基体的缺陷区,它是疲劳裂纹源萌生的主要区域。将涂层试样等效为表面缺口试样,缺口半径R≈30μm,可以计算出缺口处的复合应力集中系数K′t≈2.4,疲劳缺口敏感度q≈0.63,涂层试样的疲劳极限σ-1n≈290 MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 钛合金的腐蚀学性能
• 1.2.1 钛合金的自腐蚀性能
• 1.2.2 钛合金的电偶腐蚀性能
• 1.2.3 金属表面防腐处理技术的研究现状
• 1.3 微弧氧化工艺对合金疲劳性能的影响
• 1.3.1 钛合金的疲劳性能
• 1.3.2 微弧氧化工艺对合金疲劳性能的影响
• 1.4 微弧氧化工艺研究发展现状
• 1.5 研究的目的和意义
• 1.5.1 研究的目的和意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 材料与试验方法
• 2.1 试验用原料
• 2.1.1 TA15 合金
• 2.1.2 其它几种工程常用合金
• 2.1.3 电解质
• 2.2 涂层的设计方案及制备工艺
• 2.2.1 涂层的设计方案
• 2.2.2 涂层的制备工艺
• 2.3 涂层的组织结构分析
• 2.3.1 涂层厚度测量
• 2.3.2 XRD物相分析
• 2.3.3 扫描电镜（SEM）观察
• 2.4 涂层的耐腐蚀性能测试
• 2.4.1 极化曲线测试
• 2.4.2 交流阻抗谱测试
• 2.4.3 耐盐雾腐蚀性能测试
• 2.4.4 电偶腐蚀腐蚀性能测试
• 2.5 疲劳性能测试
• 第3章 微弧氧化涂层的组织结构与腐蚀性能
• 3.1 涂层的组织结构
• 3.1.1 涂层的表面形貌
• 3.1.2 涂层的截面特征
• 3.1.3 涂层的物相组成
• 3.2 涂层极化曲线研究
• 3.3 交流阻抗谱分析
• 3.3.1 TA15 合金的交流阻抗谱分析
• 3.3.2 涂层试样的交流阻抗谱分析
• 3.4 涂层在盐雾条件下的腐蚀性能
• 3.4.1 盐雾条件对涂层表面形貌的影响
• 3.4.2 涂层在盐雾条件下的腐蚀速度
• 3.5 涂层的电偶腐蚀性能
• 3.5.1 电偶腐蚀速度
• 3.5.2 电偶腐蚀对阳极材料表面形貌的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 微弧氧化处理对TA15 合金疲劳性能的影响
• 4.1 不同载荷下涂层对基体疲劳性能的影响
• 4.1.1 不同载荷下的疲劳寿命
• 4.1.2 不同载荷下TA15 合金疲劳寿命下降的原因分析
• 4.2 不同处理条件对基体疲劳性能的影响
• 4.2.1 氧化时间和氧化前喷砂处理对TA15 合金疲劳寿命的影响
• 4.2.2 涂层引起TA15 合金疲劳寿命下降的原因分析
• 4.3 涂层对基体疲劳损伤的机理探讨
• 4.3.1 局部涂层过度生长的原因
• 4.3.2 涂层过度生长区域应力集中的影响
• 4.3.3 宏观残余应力的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及申请的专利
• 致谢