铝合金阳极氧化界面特性及疲劳性能影响机制

Aluminum alloys can be widely used in aerospace, transportation and construction industries due to the lower density, higher strength and optimal ductility. In order to improve surface characteristics of aluminum alloys, acid solution is usually utilized to form anodized oxide films on the surface of aluminum alloys. During the anodization process, formation and surface interactions of anodized films directly affect the fatigue performance of aluminum alloys. Organic and inorganic mixed acid solutions is used to anodize the aluminum alloys to observe surface characteristics between aluminum alloys and oxide films in order to reveal initial growth, dissolution and formation mechanism of oxide films. The project intends to investigate the effects of different acid solutions and additives on the kinetics, growth, dissolution mechanism, thickness of barrier and porous layers of oxide films. It is significant to optimize environmental-friendly preparation technology of aluminum oxide films to investigate influence of operating parameters on thickness, hole size and fatigue performance of aluminum oxide films. Moreover, formation mechanism of fatigue cracks and fracture morphology will be explored in the project to reveal relationship among oxide films, substrate characteristics and fatigue performances. The purpose of the project is to provide effective solutions for fatigue decline problems during anodization process of aircraft aluminum alloys.

铝合金由于其低密度、高强度等优良性能广泛应用于航空航天、交通运输及民用建筑行业。为提高铝合金的表面特性，通常在酸溶液中对其进行阳极氧化以生成氧化膜。阳极氧化过程中氧化膜的形成、生长及其与表面的交互作用直接影响到铝合金材料的疲劳性能。本项目拟采用环保型有机-无机混合酸液对铝合金航空材料进行阳极氧化，观测阳极氧化过程中铝合金与氧化膜之间的界面特性，揭示氧化膜的初始生长、溶解及周期性孔穴的形成机理；探究不同类型酸及添加剂对阳极氧化过程动力学、氧化膜生长、溶解机理及氧化膜阻挡层与多孔层厚度的影响机制；优化阳极氧化膜的环保制备技术，研究前处理参量与阳极氧化工艺对铝合金氧化膜厚度、纳米级孔穴尺寸及疲劳性能的影响规律；研究氧化膜疲劳裂纹源的产生机制、临界裂纹长度及断口形貌的特征，揭示氧化膜-基材界面特性与疲劳性能之间的关联机制。项目的实施将为铝合金航空件阳极氧化所导致的疲劳性能下降提供有效的解决方法。

铝合金由于其低密度、高强度等优良性能广泛应用于航空航天、交通运输及民用建筑行业。为提高铝合金的表面性能，通常在酸溶液中对其进行阳极氧化以生成氧化膜。本项目研究了有机酸—无机酸体系中阳极氧化膜的生长机理、铝合金与氧化膜之间的界面特性，探究了不同类型有机酸及添加剂对阳极氧化过程动力学、氧化膜生长、溶解机理及氧化膜阻挡层与多孔层厚度的影响机制，优化了阳极氧化膜的环保制备技术，研究了纳米级孔穴尺寸对疲劳性能的影响规律及裂纹源的产生机制。研究表明，从不同二元酸体系得到的阳极氧化膜颜色不同，孔径大小可控，与二元酸的浓度及外加电压相关；三元酸体系得到的阳极氧化膜孔径小，孔壁较厚，阳极氧化膜性能与电流密度及氧化温度密切相关。氧化膜疲劳性能可通过调节酸溶液组成来改变。当硫酸体积比为较低时（体积百分比低于10%），试件断裂均属于疲劳断裂，断口形貌清晰可见三个分区，即疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区，裂纹萌生源均为两个。从源区形貌来看，试件均为准解理断裂。疲劳扩展区均未见疲劳条带，扩展区形貌均较为平滑，并且扩展区形貌与显微组织相关。瞬断区均可见明显韧窝形貌。当硫酸体积比为10 vol.-%时，裂纹萌生为单源萌生，断口形貌分为疲劳源区、扩展区及瞬断区，断裂机制仍为准解理断裂，瞬断区可见明显韧窝形貌。.项目的实施，掌握了铝合金阳极氧化后疲劳性能下降机制，寻求了解决铝合金阳极氧化膜疲劳失效方法，为航空铝合金材料阳极氧化所导致的疲劳性能改善提供了实验数据库支持。