[发明专利]金属及复合材料隔热耐蚀抗疲劳复合防护层的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属及其复合材料表面隔热耐蚀抗疲劳复合防护层的制备方法。包括如下步骤：首先，通过激光冲击强化在合金样品表面制备微纳米梯度层；然后，将所得的合金样品置于具有持续超声场的硅酸盐复合电解液中，将所述合金样品置于阳极，阴极为不锈钢或石墨电极，对所述合金样品施加高能脉冲电压，在所述合金样品表面原位生长微纳米晶梯度陶瓷层。本发明获得的表面微纳米化复合微纳米陶瓷层表面均匀、致密、结合牢固、厚度可控，并且具有良好的耐热、耐蚀及抗疲劳性等综合性能。可用于各种气候、环境下工作且要求耐热、耐蚀及抗疲劳的零部件表面，且易于操作及控制，工艺稳定，处理效率高，适于工业化生产。

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，具体涉及一种金属及其复合材料表面隔热耐蚀抗疲劳复合防护层的制备方法。

背景技术

金属（如铝、镁、钛等有色金属及其合金）及其复合材料由于具有优良的性能，广泛应用于航空航天、汽车制造及军事国防等众多领域，随着科技的进步及我国现代化进程的加快，金属及其复合材料在国民生产各个领域应用愈加广泛，同样其服役的工况条件也愈加苛刻，如在高温、高压、高载荷等严酷条件下运行。在这些极端环境下，零部件表面由于受到机械应力、热应力、高温侵蚀和高频动态载荷的影响，导致材料表面容易发生开裂、腐蚀和变形，显著降低材料的服役寿命。如果对零部件的维护不及时便会使部件失效，这不仅会造成经济能源的损失，更有甚者会给环境和安全造成严重的影响。单纯的基体材料已经不能满足日益苛刻的高温、高压、高载荷等服役环境要求，而表面处理技术是提高材料表面综合性能的最行之有效的方法。

表面改性技术可以很大程度地提高材料的耐磨、耐蚀性能，并且可以显著提升在服役环境下的疲劳性能，如喷丸、滚压和激光冲击强化等表面改性技术。喷丸、滚压都是利用机械力直接作用于材料表面，在零件表面引入一定量的残余压应力，提高零件的耐磨性和疲劳强度，但是通过这种方法引入的残余应力层较小，改善的程度有限，且单位产量较低。激光冲击强化是利用高能激光直接作用于零件表面，使零件发生大幅度的塑性变形，引入纳米晶过渡组织和较深的残余应力层来实现对零件的耐磨性能及疲劳性能的显著提升。

为了进一步提升材料的耐热、耐蚀等综合性能，延长材料在高温、高载荷等环境下的服役寿命，可进一步对材料进行复合表面处理。等离子体电解氧化技术（PlasmaElectrolytic Oxidation，缩写为PEO）是近年来发展迅速的一种合金表面陶瓷化处理技术，但是实际使用发现，其存在着以下的问题：1、等离子体电解氧化固有的放电微孔等不利于改善材料的疲劳性能。荷兰代尔夫特理工大学的B.Lonyuk教授研究了7A52铝合金等离子电解氧化层的疲劳寿命，结果表明，当应力幅值为60 MPa时，未处理试样的寿命为2.3358×10⁴周，等离子电解氧化处理试样的寿命为 2.0362×10⁴周，这表明等离子电解氧化处理会降低高强度铝合金低应力水平时的疲劳寿命，与未处理试样相比，疲劳寿命降低12.8%。北京科技大学的文磊教授研究了2024铝合金的等离子电解氧化层的疲劳性能，指出等离子电解氧化固有的微孔能增加裂纹萌生的速率，在中低应力下,PEO处理降低该铝合金材料的弯曲疲劳寿命，随着氧化层厚度增加,疲劳裂纹起始位置从氧化层表面转移到铝合金基体表面,材料的弯曲疲劳寿命降低。