隨著鋁合金表面涂層在航空航天等設備上使用的廣泛性，要求材料表面處理在提高基體抗腐耐磨性能的同時，不顯著降低基體的疲勞壽命，提高材料服役可靠性。經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的鋁合金氧化方法都有不同程度的降低了鋁合金的疲勞壽命，微弧氧化技術(shù)可在鋁合金表面制備更厚、更致密的陶瓷涂層，其抗磨及耐蝕性能顯著優(yōu)于陽極氧化或硬質(zhì)陽極氧化膜，但同時也降低了鋁合金的疲勞性能。

本項目利用金屬納米化表層過渡組織特征及微弧氧化陶瓷層在金屬納米晶層原位生長的特點，從提高微弧氧化后合金疲勞強度的角度出發(fā)，提出綜合運用表面納米化與微弧氧化技術(shù)的復合來設計具有多尺度、多層次、全新結(jié)構(gòu)的復合涂層，以獲得延長的疲勞壽命且抗磨及耐蝕的優(yōu)異性能。

1、主要研究內(nèi)容如下：

（1）鋁合金表面納米化過渡層組織與引入壓應力的可控制備技術(shù)

采用高能噴丸對金屬表面納米化處理獲得過渡層組織，研究不同噴丸介質(zhì)、時間對過渡層組織（納米晶層、微米晶層與孿晶層）厚度影響，探索不同厚度納米晶層過渡組織與壓應力的關(guān)系。

l經(jīng)陶瓷球表面機械研磨處理15min在鋁合金表面制備厚度為60μm的變形層，在變形層內(nèi)晶粒尺寸呈梯度分布，其中最表層納米晶層厚度約為20μm，平均晶粒尺寸52.8nm。

l鋼球表面機械研磨處理15min后，鋁合金表層平均晶粒尺寸細化至55nm，同時在處理過程中GCr15彈射球中的Fe元素擴散進入鋁合金表面，形成厚度約為5μm的擴散層，F(xiàn)e以四種形式存在：固溶體、納米晶Fe-Al化合物、單質(zhì)Fe及非晶Fe2O3。

（2）基于等離子弧光放電的納米晶層微結(jié)構(gòu)重構(gòu)與成型機制研究

研究金屬表面不同組織狀態(tài)（原始微米晶與納米晶）對等離子弧光放電行為、涂層生長于組織結(jié)構(gòu)的影響，揭示金屬納米化對陶瓷化涂層致密性的作用機制；研究膜基界面處金屬納米晶層組織與原始晶粒差異，闡明納米晶組織在等離子弧光放電瞬時高溫作用下的熱穩(wěn)定性。

lTEM結(jié)果表明納米化-微弧氧化復合改性層陶瓷外層由γ-Al2O3柱狀晶和非晶相組成。微弧氧化處理過程中的對基體金屬的熱輸出小，不會影響基體合金的組織結(jié)構(gòu)，因而膜基界面附近基體合金晶粒尺寸仍為納米量級，說明通過復合采用表面機械研磨處理和微弧氧化技術(shù)在鋁合金表面成功制備出外層為陶瓷涂層、而與之接壤的內(nèi)層基體合金為納米晶組織的納米化-微弧氧化復合改性層。

l與相同涂層厚度的微弧氧化涂層相比，納米化-微弧氧化復合改性層陶瓷外層的表面孔隙率和顯微硬度增大，陶瓷外層厚度分別為5μm、10μm和15μm的復合改性層表面粗糙度Ra分別為3.45μm、3.65μm和3.93μm，顯微硬度分別為HV574、970和1130。

（3）鋁合金表面不同微結(jié)構(gòu)陶瓷化涂層的疲勞壽命強化機制研究

開展不同微結(jié)構(gòu)層與表面應力-疲勞壽命關(guān)系研究，揭示多層涂層中納米晶層與致密陶瓷涂層及緊密結(jié)合界面對提高疲勞壽命的作用機制。

l與相同厚度微弧氧化涂層試樣相比，厚度分別為5μm、10μm和15μm的納米化-微弧氧化復合改性層試樣的屈服強度分別增加了8.0%、8.0%和5.4%，抗拉強度分別提高了3.0%、1.5%和4.5%。

l在相同拉伸延伸率(8%)條件下，復合改性層陶瓷外層比微弧氧化涂層具有更好的抗拉伸破壞能力，表現(xiàn)出更好的膜基結(jié)合性能。

l表面機械研磨處理使鋁合金的疲勞壽命增加4.6%。與相同厚度的微弧氧化涂層試樣相比，陶瓷涂層厚度為5μm和10μm復合改性層試樣的疲勞壽命分別提高了21.9%和23.0%。

（4）鋁合金表面不同微結(jié)構(gòu)陶瓷化涂層的腐蝕性能強化機制研究

開展不同微結(jié)構(gòu)涂層腐蝕性能研究，重點研究多層復合涂層中不同厚度的納米晶層/陶瓷化重構(gòu)層對腐蝕性能的影響規(guī)律，揭示納米晶層的活化作用對提高抗腐蝕性能的作用機制。

l與相同厚度的微弧氧化涂層相比，陶瓷外層厚度為5μm和10μm的納米化-微弧氧化復合改性層在長期浸泡試驗中表現(xiàn)出較好的抗腐蝕性能；

l鋁合金基體在1400h鹽霧實驗后已嚴重腐蝕，而10μm厚微弧氧化涂層試樣在1400h鹽霧實驗后表面出現(xiàn)少量腐蝕痕跡，納米化-10μm厚微弧氧化涂層試樣在1500h后，表面形貌保持良好，沒有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。納米化-10μm厚微弧氧化涂層試樣比單一10μm厚微弧氧化涂層試樣，耐鹽霧抗腐蝕性能提高96h以上。

2、鋁合金表面等離子納米陶瓷化復合改性技術(shù)特點

（1）突破性的提出金屬表面納米化與等離子陶瓷化技術(shù)復合構(gòu)造的新型納米陶瓷化復合涂層，攻克了制約單一陶瓷化涂層在交變或沖擊應力等嚴酷條件下使用時疲勞壽命顯著下降的關(guān)鍵技術(shù)難題，具有重要的科學意義與工程應用價值。

（2）首次揭示金屬表面組織狀態(tài)（原始微米組織、納米晶組織）對陶瓷化涂層生長過程、組織結(jié)構(gòu)的影響，以及納米晶層在等離子弧光放電化條件下的熱穩(wěn)定性等有關(guān)科學問題，納米晶過渡層組織厚度大于20μm。

（3）揭示陶瓷化對金屬納米晶層表面應力的影響及與疲勞壽命、腐蝕性能的關(guān)系，闡明表面應力對疲勞、腐蝕損傷的作用機制，膜基界面處基體表面拉應力變?yōu)閴簯Γ{米晶層的引入使疲勞壽命比陶瓷化涂層提高20%以上，耐鹽霧性抗腐蝕性能提高96h以上。

3、應用推廣

離子納米陶瓷化復合層是在鋁合金表面原位生長而形成的，比傳統(tǒng)陽極氧化膜更致密、更厚的涂層，具有優(yōu)異的防腐、抗磨性能，且相比單一的微弧氧化陶瓷層對基體合金的疲勞性能幾乎沒有影響，在航空飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)上具有廣闊應用前景。

4、申報單位

中國特種飛行器研究所隸屬于中國航空工業(yè)集團有限公司，是我國航空工業(yè)五個主機研究所之一，該單位長期致力于飛機腐蝕防護與控制技術(shù)研究，在腐蝕防護與控制標準體系、結(jié)構(gòu)抗/防腐蝕設計、先進表面工程技術(shù)應用、腐蝕損傷預測與評估、防腐蝕維護和修理技術(shù)等方面做了系列化的研究工作，形成了鋁合金、鈦合金微弧氧化特種工藝等科研成果，解決了制約微弧氧化涂層在交變或沖擊應力等嚴酷條件下使用的關(guān)鍵，直接推動了微弧氧化技術(shù)的前進。