鋁合金是制造汽車發(fā)動機缸體、活塞以及輪轂、船舶螺旋槳和飛機發(fā)動機壓縮機葉片等結(jié)構(gòu)件的常用材料，在其表面涂覆的微弧氧化涂層是鋁合金結(jié)構(gòu)件的耐磨、耐腐蝕和耐高溫“金鐘罩”。然而，在微弧氧化涂層生長過程中，不可避免地存在微觀缺陷和殘余應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件過早發(fā)生疲勞失效，限制了微弧氧化技術(shù)在汽車、船舶和航空等領(lǐng)域的應(yīng)用，如圖1所示。當前，微觀缺陷和殘余應(yīng)力對微弧氧化涂層鋁合金疲勞性能的影響機制尚不清晰，這對基于微觀缺陷和殘余應(yīng)力的協(xié)同設(shè)計，優(yōu)化微弧氧化涂層鋁合金的疲勞性能提出了挑戰(zhàn)。

圖1 本文研究的主要內(nèi)容

針對上述問題，本文分析了微弧氧化涂層中影響鋁合金基體疲勞性能的關(guān)鍵因素，并從涂層微觀結(jié)構(gòu)表征和應(yīng)力仿真兩個方面，闡明了微觀缺陷與殘余應(yīng)力在疲勞失效中的耦合作用機制，建立了微觀缺陷和殘余應(yīng)力對基體疲勞性能的損傷機制模型，提出了微弧氧化涂層鋁合金的抗疲勞設(shè)計方法。主要結(jié)論如下：

(1) 殘余應(yīng)力不利于微弧氧化涂層鋁合金疲勞壽命的提高。微觀缺陷處的應(yīng)力集中以及涂層與基體的殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致疲勞裂紋過早萌生，而涂層的殘余壓應(yīng)力和基體的殘余拉應(yīng)力對微弧氧化涂層鋁合金疲勞性能的影響存在競爭關(guān)系。

(2) 外加載荷和殘余應(yīng)力誘導(dǎo)中間層屈服區(qū)比例的變化，是影響疲勞裂紋萌生的關(guān)鍵問題。低應(yīng)力條件下，基體中存在的殘余壓應(yīng)力引起中間層屈服區(qū)比例降低，且相應(yīng)涂層中存在殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋易在含多微觀缺陷的涂層中萌生。

(3) 高應(yīng)力條件下的殘余應(yīng)力松弛弱化了微觀缺陷和殘余應(yīng)力對微弧氧化涂層鋁合金疲勞性能的耦合作用，是微觀缺陷顯著影響鋁合金基體高周疲勞壽命，而對低周疲勞壽命影響較小的主要因素。

(4) 疲勞裂紋萌生于涂層與基體間的界面或存在殘余拉應(yīng)力的涂層中會嚴重損傷基體的疲勞性能。基體預(yù)處理、調(diào)控微弧氧化工藝參數(shù)和涂層后處理，可以抑制裂紋向基體中擴展，提高微弧氧化涂層鋁合金的疲勞壽命，如圖2所示。

圖2 微弧氧化涂層鋁合金疲勞性能的優(yōu)化方法

以上研究成果于2023年7月6日以“A review on the fatigue performance of micro-arc oxidation coated Al alloys with micro-defects and residual stress”為題，發(fā)表在J. Mater. Res. Technol., 2023, 25: 4554-4581。第一作者為遼寧工程技術(shù)大學(xué)戴衛(wèi)兵副教授，通訊作者為遼寧工程技術(shù)大學(xué)郭辰光副教授。

聯(lián)系人：戴衛(wèi)兵；電子郵箱：yifanwb@163.com.