铝合金材料表面改性研究进展

食品科技食品安全背景下食品级铝合金表面处理技术研究庄乾浩，魏 华（临朐县铝合金型材及制品质量检验中心，山东潍坊 262600）摘 要：铝合金具有易于加工、耐腐蚀强、导热性能好等优点，在我国食品机械及包装行业具有广泛的应用。

但如果铝合金表面技术处理不当，没能达到国家要求的食品级标准，长期使用就会存在机械腐蚀、重金属迁移等风险。

本文介绍了铝合金制品在食品中的应用领域，分析其在食品机械及包装行业存在的潜在安全风险，论述了电镀及化学镀技术、微弧氧化技术等表面处理技术的优缺点。

关键词：食品安全；食品级铝合金；表面处理技术Research on Surface Treatment Technology of Food Grade Aluminum Alloy in the Context of Food SafetyZHUANG Qianhao, WEI Hua(Linqu County Aluminum Alloy Profile and Product Quality Inspection Center, Weifang 262600, China)Abstract: Aluminum alloy has advantages such as easy processing, strong corrosion resistance, and good thermal conductivity, and is widely used in the food machinery and packaging industry in China. However, if the surface technology of aluminum alloy is not properly treated and fails to meet the national food grade standards, long-term use will pose risks such as mechanical corrosion and heavy metal migration. This article introduces the application fields of aluminum alloy products in food, analyzes their potential safety risks in the food machinery and packaging industry, and discusses the advantages and disadvantages of surface treatment technologies such as electroplating, chemical plating, and micro arc oxidation.Keywords: food safety; food grade aluminum alloy; surface treatment technology铝合金是以铝为基材，添加一定量其他合金化元素的合金，属于轻金属材料之一。

第27卷第6期江苏理工学院学报JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l.27，No.6 Dec.，20212021年12月活塞作为汽车发动机的重要组件之一，被称为发动机的“心脏”[1]。

它一般服役于极端温度、贫油、高比负荷等苛刻工作环境，随着人们对发动机的爆发压力和功率密度要求不断提高，其机械负荷也不断提升，表面磨损能量损耗通常高达总损耗的50%[2-4]。

车用发动机铝合金活塞具有材质轻、高强度的特点，然而，其高温强度和耐磨性较差，因而容易出现由黏着磨损引发的内壁拉缸以及由磨粒磨损引发的密封面破坏，从而使得发动机的整体质量恶化，使用寿命及工作效率受到影响[5-7]。

因此，为进一步提高活塞的耐磨性能和综合服役性能，延长其使用寿命，亟需对车用发动机活塞表面进行强化处理的研究。

当前，已有研究成果显示：高晓波等人[8]对铝合金活塞材质添加TiB2颗粒，使得工件高温强度提升，活塞的磨损量降低70%；赵小峰等人[9]对铝合金活塞环环槽表面采用共沉积技术制备Ni-SiC 耐磨涂层，涂层分布均匀覆盖，硬度高达700~800 HV，耐磨性提高了2~3倍；吴成武等人[10]对失效退役的往复式活塞杆采用超音速火焰喷涂技术进行修复，使其耐用性优于新品；逯世廷[11]研究发现，活塞的往复运动使活塞-缸套磨损加剧、间隙加大，从而影响活塞的振动特性，进而影响到发动机的工作可靠性；张俊峰等人[12]对缸套/活塞摩擦副进行激光束织构处理后，利用含MoS2和Al2O3颗粒的镍基镀液进行镀层，由于所含颗粒发挥的自润滑功能降低了摩擦作用力，该镀层使得工件磨损率显著降低。

然而，参考上述研究思路及方法，对铝合金材质活塞表面采用等离子喷涂技术制备镍基涂层，并分析其组织、力学性能和磨损性能的研究相对较少。

本文以最常见的发动机活塞材料ZL109为基车用铝合金发动机活塞表面强化涂层磨损性能研究韩冰源，杜伟，徐文文，高祥涵，楚佳杰，吴成（江苏理工学院汽车与交通工程学院，江苏常州213001）摘要：为了研究车用发动机铝合金活塞表面强化处理效果，以ZL109材料为基体，采用等离子喷涂技术制备镍基合金涂层，并对涂层宏微观形貌、显微硬度、结合强度和孔隙率等基本特性进行了系统表征。

表面技术第52卷第9期两种硅烷偶联剂修饰的铝合金表面超疏水性能研究李文艳1,2，杨含铭3，夏祖西1,2，彭华乔1,2，石涛1,2*（1.中国民航局第二研究所，成都 610041；2.民航航油航化产品适航与绿色发展重点实验室， 成都 610041；3.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，成都 611756）摘要：目的探究硅烷偶联剂对铝合金超疏水表面性能的影响。

方法通过化学刻蚀并结合硅烷偶联剂修饰，在AMS 4037铝合金上制备超疏水表面。

首先，通过HCl/H2O2混合液对铝合金进行刻蚀，在其表面构造具有多级蜂巢状的微/纳复合结构，再分别采用硅烷偶联剂和含氟硅烷进行疏水改性。

详细研究2种改性剂的浓度对刻蚀铝合金表面润湿性的影响。

采用接触角测量仪对材料表面润湿性和表面自由能进行测试，通过扫描电镜、能谱仪、激光共聚焦显微镜对表面微观结构和化学成分进行表征。

同时，对2种硅烷偶联剂修饰的铝合金超疏水表面进行液滴冻结时间、防覆冰及自清洁行为测试。

结果铝合金表面的疏水性并不总是与改性剂的浓度呈正相关。

当改性剂的质量分数为0.5%时，经硅烷偶联剂修饰后其刻蚀表面的接触角为156.3°，但滚动角大于30°，而经含氟硅烷修饰后其表面的接触角可达164.4°，滚动角为6°。

液滴在硅烷偶联剂和含氟硅烷修饰后的超疏水表面的冻结时间分别为37、45 s。

结论相较于硅烷偶联剂修饰的刻蚀表面，含氟硅烷改性后其表面能更低，疏水效果更好。

相较于未处理的铝合金表面，经硅烷偶联剂修饰后铝合金超疏水表面可显著抑制液滴的冻结过程，具有更长的冻结时间和延迟覆冰的能力，并且含氟硅烷修饰后表面的防冰性能更佳。

自清洁实验也证明经含氟硅烷修饰后的表面具有更好的自清洁性能，其表面的微小灰尘颗粒更易被带走。

关键词：铝合金；超疏水；冻结时间；结霜；自清洁中图分类号：O69 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)09-0340-11DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.09.030Superhydrophobic Properties of Aluminum Alloy SurfacesModified by Two Silane Coupling AgentsLI Wen-yan1,2, YANG Han-ming3, XIA Zu-xi1,2, PENG Hua-qiao1,2, SHI Tao1,2*(1. The Second Research Institute of Civil Aviation Administration of China, Chengdu 610041, China; 2. Key Laboratory ofAviation Fuel & Chemical Airworthiness and Green Development, Civil Aviation Administration of China, Chengdu 610041, China; 3. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China)ABSTRACT: In order to investigate the effects of the silane coupling agent on properties of superhydrophobic aluminum alloy surfaces, superhydrophobic surfaces were prepared on AMS 4037 aluminum alloy by chemical etching combining with收稿日期：2022-09-11；修订日期：2023-02-24Received：2022-09-11；Revised：2023-02-24基金项目：国家自然科学基金（U1833202）Fund：National Natural Science Foundation of China (U1833202)引文格式：李文艳, 杨含铭, 夏祖西, 等. 两种硅烷偶联剂修饰的铝合金表面超疏水性能研究[J]. 表面技术, 2023, 52(9): 340-350.LI Wen-yan, YANG Han-ming, XIA Zu-xi, et al. Superhydrophobic Properties of Aluminum Alloy Surfaces Modified by Two Silane Coupling第52卷第9期李文艳，等：两种硅烷偶联剂修饰的铝合金表面超疏水性能研究·341·modification of two kinds of silane coupling agents. Via an etching process with hydrochloric acid and hydrogen peroxide mixed solution, hierarchical honeycomb micro/nano structures were formed on AMS 4037 aluminum alloy surfaces. Then, the etched surface was treated with different concentrations of silane and fluorosilane, respectively. The effect of silane coupling concentration on wettability was also investigated systematically. The wettability and surface free energy of as-prepared samples were characterized and calculated by a contact angle meter. The microscopic appearance and chemical composition were analyzed by SEM, LSCM and energy spectrum. Meanwhile, the freezing process of water droplets on the surface with various wettability was observed with a high speed camera and the freezing time was calculated based on the video images. Anti-icing and self-cleaning behaviors of the surfaces treated with two modifiers were tested respectively. The results showed that the hydrophobicity of as-prepared samples was not always positively related to the concentration of the silane coupling. When the modifier was 0.5wt.%, the contact angle of the etched surface treated with silane coupling agent was 156.3°, but the sliding angle was more than 30°, while the fluorosilane-modified surface reached a maximum contact angle of 164.4° and a rolling angle of 6°, which was definitely a superhydrophobic surface. When the concentration of modifiers continued to increase, the hydrophobicity of both surfaces became worse, which may be due to the effect of the way in which the surface modifier molecules were packed. The freezing time of water droplets with a volume of 5 μL on the superhydrophobic surface modified by silane coupling agent and the fluorosilane was divided into 37 s and 45 s, respectively. And the lower freezing front speed on the surface with better hydrophobicity was observed. The anti-icing for the superhydrophobic surface attributed to the quite small contact area and the high thermal resistance between the liquid-solid interfaces. The anti-icing test illustrated that compared with the original aluminum alloy surface, the superhydrophobic surfaces had longer freezing time and could delay icing, and the surface modified by fluorosilane had better anti-icing performance. It was found that the size of areas frozen was negatively correlated with hydrophobicity of surface. Under the same conditions, the better the hydrophobicity, the less ice is covered on the surface of the aluminum alloy. The frozen area of the etched surface modified with silane coupling agent is smaller than that of the untreated surface. The frozen area of the etched surface modified by the fluorosilane coupling agent is smaller than that of the surface modified by the silane coupling agent. This fact can be explained by the reduction of solid-droplet interface and increase of thermal resistance resulting from trapped gas. The self-cleaning experiments also prove that the surface modified by fluorosilane has better self-cleaning performance than the silane-modified surface, and the small dust particles on the surface are easier to remove.KEY WORDS: aluminum alloy; superhydrophobic; freezing time; frosting; self-cleaning超疏水材料通常指与水的接触角大于150°、滚动角小于10°的材料。

铝合金在强酸腐蚀环境下的表面特性研究随着工业化进程的不断发展，铝合金作为一种重要的结构材料广泛应用于各个领域中。

然而，在某些特殊环境下，如强酸腐蚀环境下，铝合金的表面特性可能会受到严重影响。

因此，研究铝合金在强酸腐蚀环境下的表面特性显得尤为重要。

本文将从表面特性表征、腐蚀机理分析和表面改性措施等方面进行论述，以期提供有关铝合金在强酸腐蚀环境下的实用研究信息。

一、表面特性表征铝合金在强酸腐蚀环境下的表面特性包括表面形貌、表面粗糙度、表面氧化膜等方面。

表面形貌的观察可以采用扫描电子显微镜（SEM）技术，利用SEM可以观察到铝合金的表面细节和结构特征。

表面粗糙度是指铝合金表面的凹凸程度，可以通过表面粗糙度仪等设备进行测量。

而表面氧化膜则是铝合金在腐蚀环境中形成的一层氧化层，可以通过X射线光电子能谱仪（XPS）进行分析。

二、腐蚀机理分析强酸腐蚀环境对铝合金的腐蚀主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种方式。

化学腐蚀是指强酸溶液中铝合金表面与酸性离子发生化学反应，导致铝合金物质的离解和溶解。

电化学腐蚀是指在电化学条件下，铝合金与强酸溶液中形成的电池中发生氧化还原反应，导致铝离子向溶液中溶解。

腐蚀机理分析有助于深入理解铝合金在强酸腐蚀环境下的表面特性变化规律。

三、表面改性措施为了提高铝合金在强酸腐蚀环境下的抗腐蚀性能，可以采取一系列的表面改性措施。

常用的方法包括阳极氧化、化学镀膜和喷涂等。

阳极氧化是指在一定电解液和电位条件下，利用电解作用在铝合金表面形成一层致密的氧化膜。

化学镀膜是指通过浸泡铝合金在含有一定添加剂的溶液中，使得表面形成一层保护膜。

而喷涂则是将特殊的涂层材料喷涂到铝合金表面形成一层保护层。

这些表面改性措施都可以有效地提高铝合金在强酸腐蚀环境下的耐蚀性能，降低腐蚀速率。

总结：铝合金在强酸腐蚀环境下的表面特性研究对于提高铝合金的耐蚀性能具有重要意义。

通过表面特性表征、腐蚀机理分析和表面改性措施等方面的研究，可以深入了解铝合金在强酸腐蚀环境下的变化规律，并采取相应的措施来保护和改善其表面特性。

第1篇一、实验目的本实验旨在研究铝合金表面改性技术，通过激光熔覆、激光选区熔化等工艺对铝合金进行改性处理，提高其表面硬度、耐磨性、导热性等性能，为铝合金在航空航天、交通运输、建筑等领域中的应用提供技术支持。

二、实验材料与设备1. 实验材料：铝合金（2024、AlSi10Mg、AlMgSi等）2. 实验设备：激光熔覆机、激光选区熔化设备、金相显微镜、显微硬度计、摩擦磨损试验机、导热系数测试仪等。

三、实验方法1. 激光熔覆实验：将铝合金基材表面预置硅粉，采用横流CO2高激光器进行激光处理，研究熔覆工艺参数对覆层质量的影响，包括激光功率、扫描速度、激光束直径等。

2. 激光选区熔化实验：将2024铝合金粉末与AlSi10Mg合金粉末混合，形成AlSi10Mg-2024(TiC)混合粉末，采用激光选区熔化工艺进行成形，并对其沉积态和T6热处理态的显微组织及力学性能进行表征。

3. 淬火时效实验：对铝合金进行淬火处理，测定其时效曲线，分析淬火温度、保温时间等因素对铝合金力学性能的影响。

4. 导热系数测试：对改性铝合金进行导热系数测试，分析改性处理后铝合金的导热性能。

四、实验结果与分析1. 激光熔覆实验结果与分析通过调整激光功率、扫描速度、激光束直径等工艺参数，发现当激光功率为 2.5kW、扫描速度为1m/s、激光束直径为0.8mm时，铝合金表面熔覆层质量较好，表面平整、光滑，无明显裂纹、气孔等缺陷。

2. 激光选区熔化实验结果与分析激光选区熔化过程中，TiC颗粒可作为异质形核点，促进Al形核，抑制粗大柱状晶的形成，显著细化铝合金的显微组织。

T6热处理态的力学性能测试结果表明，激光选区熔化后的铝合金具有较高的抗拉强度、屈服强度和伸长率。

3. 淬火时效实验结果与分析淬火时效实验表明，随着淬火温度的升高，铝合金的硬度和强度逐渐提高，但伸长率逐渐降低。

在淬火温度为530℃、保温时间为2h的条件下，铝合金的力学性能达到最佳状态。

铝合金表面处理的方法及应用对铝及其合金进行表面处理产生的氧化膜具有装饰效果、防护性能和特殊功能,可以改善铝及其合金导电、导热、耐磨、耐腐蚀以及光学性能等。

因此,国内外研究人员运用各种方法对其进行表面处理,以提高它的综合性能,并取得了很大进展。

目前,铝及其合金材料已广泛地应用于建筑、航空和军事等领域中。

本文分类论述了铝及其合金材料表面处理的主要方法。

1·化学转化膜处理金属表面处理工业中的化学转化处理时使金属与特定的腐蚀液接触，在一定条件下，金属表面的外层原子核腐蚀液中的离子发生化学或电化学反应，在金属表面形成一层附着力良好的难溶的腐蚀生成物膜层。

换言之，化学转化处理是一种通过除去金属表面自然形成的氧化膜而在其表面代之以一层防腐性能更好、与有机涂层结合力更佳的新的氧化膜或其他化合物的技术。

1.1阳极氧化法铝的阳极氧化法是把铝作为阳极,置于硫酸等电解液中,施加阳极电压进行电解,在铝的表面形成一层致密的Al2O3膜,该膜是由致密的阻碍层和柱状结构的多孔层组成的双层结构。

阳极氧化时,氧化膜的形成过程包括膜的电化学生成和膜的化学溶解两个同时进行的过程。

当成膜速度大于溶解速度时,膜才得以形成和成长。

通过降低膜的溶解速度,可以提高膜的致密度。

氧化膜的性能是由膜孔的致密度决定的。

1.1.1硬质阳极氧化铝的硬质阳极氧化是在铝进行阳极氧化时,通过适当的方法,降低膜的溶解速度,获得更厚、更致密的氧化膜。

常规的方法是低温(一般为0℃左右)和低硫酸浓度(如<10%H2SO4)的条件下进行,生产过程存在能耗大、成本高的缺点。

改善硬质阳极氧化膜的另一种方法是改变电源的电流波形。

氧化膜的电阻很大,氧化过程中产生大量的热量,因此,传统直流氧化电流不宜过大,运用脉冲电流或脉冲电流与直流电流相叠加,可以极大地降低阳极氧化所需要的电压,并且可使用更高的电流密度,同时还可以通过调节占空比和峰值电压,来提高膜的生长速度,改善膜的生成质量,获得性能优良的氧化膜。

激光熔覆对铝合金表面粗糙度的提升研究摘要：本文通过对激光熔覆技术在铝合金表面加工中的应用进行研究，旨在探讨激光熔覆对铝合金表面粗糙度的提升效果。

研究结果表明，激光熔覆能够显著提高铝合金表面的粗糙度，并且可以通过调整加工参数实现不同粗糙度的要求。

本文还分析了激光熔覆对铝合金表面粗糙度提升的机理，并讨论了激光熔覆技术的优点和不足之处。

最后，本文提出了进一步研究的方向和建议。

1. 引言铝合金是一种重要的结构材料，在航空、汽车、电子等领域得到广泛应用。

铝合金的表面粗糙度对其性能具有重要影响。

传统的表面加工方法如机械加工、化学处理等存在一定的局限性，无法满足一些特殊应用下对表面粗糙度的要求。

而激光熔覆技术由于其高能量密度和瞬时加热的特点，在改善铝合金表面粗糙度方面具有独特的优势。

2. 激光熔覆技术概述激光熔覆技术是一种通过激光束将粉末熔融喷射到工件表面形成覆盖层的加工方法。

激光熔覆技术可以实现局部表面改性，具有高效、高精度和低热影响等特点。

在铝合金加工中，激光熔覆技术可以通过精确控制加工参数实现对表面粗糙度的调控。

3. 激光熔覆对铝合金表面粗糙度的提升效果通过实验研究，我们发现激光熔覆技术对铝合金表面粗糙度有显著的提升效果。

不同的激光功率和扫描速度会对表面粗糙度产生不同影响。

当增大激光功率或减小扫描速度时，可以获得更高的表面粗糙度。

同时，激光熔覆的覆盖层厚度也会对表面粗糙度产生影响，增大覆盖层厚度可以获得更高的粗糙度。

4. 激光熔覆对铝合金表面粗糙度提升的机理激光熔覆对铝合金表面粗糙度提升的机理主要有两个方面。

首先，激光熔覆过程中，激光能量会导致表面粉末熔融，并在冷却后形成覆盖层。

这个过程中，熔融和冷却的热流会引起显微缺陷的形成，从而增加表面的粗糙度。

其次，激光熔覆过程中，熔融粉末会与基体相互作用，从而使基体表面产生高温、高应力等效应，进一步改变表面形貌。

5. 激光熔覆技术的优点和不足激光熔覆技术具有多种优点，包括高能量密度、高控制性、表面改性容易实现等。

金属材料的表面改性研究金属材料作为重要的结构材料，在工业生产和日常生活中广泛应用。

然而，金属材料的表面性能常常限制了其在某些特定领域的应用。

为了改善金属材料的表面性能，人们开展了大量的研究工作，主要集中在表面改性技术上。

本文将探讨金属材料表面改性研究的现状和进展。

一、金属材料表面改性的意义金属材料的表面性能直接关系到其使用寿命和性能稳定性。

例如，在汽车制造领域，金属零件的耐腐蚀性能对于汽车的安全性具有重要影响。

而在航空航天领域，金属材料的高温抗氧化性能则决定了航空发动机的可靠性。

因此，通过表面改性技术来提高金属材料的性能至关重要。

二、金属材料表面改性的方法1. 表面涂层表面涂层是一种常见的金属材料表面改性方法。

通过在金属表面涂覆一层具有特定性能的材料，可以改善金属材料的耐磨性、耐腐蚀性等性能。

例如，将陶瓷材料如氧化铝、氮化硼等涂覆在金属表面，可以增强其硬度和耐磨性，适用于制造高速切削工具等。

2. 表面喷涂表面喷涂是另一种常见的金属材料表面改性方法。

通过喷涂特定的涂层材料，可以形成一层可靠的保护层，提高金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性能。

例如，在海洋工程中，金属结构常常需要面对海水的腐蚀和氧化环境，喷涂具有抗腐蚀和抗氧化性能的聚合物涂层可以有效地延长金属结构的使用寿命。

3. 表面改性处理表面改性处理是一种通过化学或物理方法改变金属表面性质的技术。

例如，通过阳极氧化处理可以在铝合金表面形成一层致密的氧化层，提高其耐腐蚀性和耐磨性。

而通过等离子体表面硬化处理，可以形成表面硬度较高的金属层，提高材料的抗磨损性能。

三、金属材料表面改性研究的发展趋势随着科学技术的不断进步，金属材料表面改性研究也在不断发展。

主要体现在以下几个方面：1. 具有多功能性的涂层研究传统的表面涂层主要用于单一性能的提升，如硬度、耐磨性等。

而现在的研究趋势则是开发具有多功能性的涂层，如同时具有抗紫外线、防水性、自洁性等特性。

这种研究不仅可以满足更多领域的需求，还可以最大程度地提高材料的综合性能。

铝及铝合金表面处理技术铝是一种密度小、强度大、耐腐蚀性较好的材料，导热以及导电性能都要优于其他金属。

工业生产中，它具有易于加工成型以及表面装饰性优良等诸多优点，因此在电子通信、航空航天以及工业制造领域得到了广泛的应用。

在纯铝中加入其他合金元素所制成的铝合金的物理性能要优于纯铝，本文简述了铝及铝合金表面处理技术的新发展，详细分析了工业生产领域几种应用范围较广的处理方法，希望对相关工作的推进落实有所启示。

标签：铝；铝合金；表面处理技术铝是化学元素周期表中位于第三周期的主族元素，结构为面心立方晶格，塑性较高，具有良好的延展性，因此可被用于各种形式的机械加工。

铝元素的化学性质相对活泼，标准电极电位较低，在干燥的空气中铝表面会形成厚度约为1—3nm的氧化膜，该氧化膜结构疏松、耐磨性较差、机械强度较低，因此需对其表面进行处理，以达到增强其防护效果的目的。

常规处理手段中的氧化、电镀以及外加涂层等方法均能够达到相对理想的处理效果。

一、氧化处理技术1、阳极氧化阳极氧化又被称为“电解氧化”，这是一种应用较为广泛的生产方式。

电解池中，铝以及铝合金为阳极，通电后在铝表面能够生成氧化膜，主要成分为AI2O3。

由此而得到的氧化膜具有较强的稳定性，能够对铝及铝合金起到较好的保护作用。

经阳极氧化所产生的保护膜具有如下特点：阻挡层硬度大、耐磨性以及抗腐蚀性较好、绝缘性能好、化学稳定性较高。

实践证明，该氧化膜可以被用作涂装的底膜，而且其孔隙较多，可以根据需要进行染色以及着色处理，以达到增加材料装饰性能的效果。

当前，这类氧化技术在实践应用中也暴露出了诸多问题，其中首当其冲的便是铬酸盐系氧化剂对环境所造成的污染。

阳极氧化实践中，有关人员已经注意到了利用特定金属离子的特性能够达到优化铝及铝合金性能的效果。

【1】目前镍离子、钛离子在这方面的应用已经进入了实践阶段。

2、化学氧化化学氧化指的是依靠化学手段、在特定条件下使清洁的铝或铝合金与氧化液中的氢发生反应，最终形成一层致密的氧化膜。

激光熔覆对铝合金表面硬度的提高研究铝合金是一种常见的轻质金属材料，广泛应用于航空航天、汽车制造和建筑等领域。

然而，由于其较低的硬度，铝合金在某些应用中容易出现磨损和疲劳问题。

因此，提高铝合金的表面硬度成为了一个重要的研究课题。

激光熔覆技术作为一种先进的表面改性技术，可以显著提高铝合金的表面硬度，并在工业应用中具有广阔的前景。

激光熔覆是利用高能量激光束对金属表面进行快速熔化和再凝固的过程。

在激光熔覆过程中，激光束在铝合金表面产生瞬间高温，使得表面金属熔化，并与基材充分混合。

在快速冷却的过程中，金属会重新凝固形成非晶态或亚晶态结构，从而提高了表面的硬度。

激光熔覆对铝合金表面硬度的提高主要有以下几个方面的影响：首先，激光熔覆过程中产生的高能量激光束可以使铝合金表面达到极高的温度。

在这高温的作用下，铝合金的晶粒尺寸得到细化，晶体内部的位错密度增加，这些都有利于提高铝合金的硬度。

其次，激光熔覆过程中快速冷却的速度使金属在固化时形成非晶态或亚晶态结构。

相对于晶态结构，非晶态或亚晶态结构具有更高的硬度和强度。

此外，激光熔覆对铝合金表面还可以实现元素的超快扩散，即由于高温和快速冷却导致合金元素在表面的过饱和情况下迅速扩散，形成富含合金元素的固溶体或化合物，进一步增加了表面的硬度。

总而言之，激光熔覆技术通过高能量激光束的作用，使铝合金表面达到高温和快速冷却，进而改变了铝合金的晶体结构和成分分布，从而显著提高了其表面硬度。

然而，激光熔覆技术在应用过程中也面临一些挑战和限制。

首先，激光熔覆过程中产生的高温会导致铝合金的烧蚀和热应力等问题，影响了熔覆层的质量和性能。

其次，激光熔覆层与基材之间的界面结合强度有限，容易出现剥离和脱落的问题。

此外，激光熔覆层的残余应力也会影响到铝合金的整体性能。

为了克服这些问题，可以采取以下措施来进一步优化激光熔覆技术。

首先，控制激光参数，如激光功率、熔化深度和扫描速度等，以获得合适的熔覆层质量和硬度。

铝合金微弧氧化陶瓷膜性能、组织结构与生长机制
的开题报告
1.研究背景：
铝合金是一种常见的轻金属材料，具有良好的物理和化学性质，广
泛应用于航空航天、汽车制造、建筑等领域。

然而，铝合金表面容易受
到机械冲击、腐蚀和氧化等因素的影响，降低了其使用寿命和性能。

因此，研究提高铝合金表面性能的方法和技术至关重要。

微弧氧化是一种
新兴的表面改性技术，可以形成陶瓷膜，提高铝合金表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。

2.研究目的：
本研究旨在探究铝合金微弧氧化陶瓷膜的性能、组织结构与生长机制，为铝合金表面改性提供理论和实验依据。

3.研究内容：
（1）铝合金微弧氧化陶瓷膜的制备方法和工艺条件研究。

（2）分析铝合金微弧氧化陶瓷膜的性能，包括硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。

（3）研究铝合金微弧氧化陶瓷膜的组织结构特征和形成机制，包括膜层厚度、孔隙度、晶体结构等。

（4）探究制备条件对铝合金微弧氧化陶瓷膜性能和组织结构的影响。

4.研究方法：
（1）采用微弧氧化技术制备铝合金陶瓷膜，通过SEM、XRD、EDS 等分析方法对样品进行表面形貌、成分组成以及膜层结构等方面的分析。

（2）通过比较不同制备条件下的样品表面性能、组织结构等特征，探究制备条件对铝合金陶瓷膜的影响。

（3）运用电化学测试和耐磨试验，评价铝合金陶瓷膜的耐腐蚀性与耐磨性。

5.研究意义：
本研究可为铝合金表面改性提供科学依据和技术支持，通过微弧氧化陶瓷膜提高铝合金表面的性能，具有重要的工业应用价值。

铝合金材料的制备与表面改性铝合金是目前应用广泛的金属材料之一，其性能稳定，质轻、强度高、导电性好、可塑性强、耐腐蚀等优点与特性，使得铝合金在机械制造、航空航天、电子、建筑等领域都有着广泛的应用。

在铝合金材料的制备及应用过程中，为了实现其更好的材料性能展现，将铝合金表面进行改性处理成为必要的一步。

本文将就铝合金材料的制备与表面改性方面展开论述。

一、铝合金材料的制备铝合金材料的制备是指将适量的铝、铜、镁、锰、锌等金属原材料按比例混合后，经过制造过程（包括熔炼、铸造、精炼、轧制或挤压、加工处理等环节），最终制成具有一定机械性能和特殊用途的金属材料。

1、铸造制备铸造是将铝合金熔体注入铸模中，经冷却固化后制备铝合金材料的一种方法。

该方法可广泛应用于构件制造，但其精度不高、表面不光滑等弊端限制了其在精密机械领域的使用。

2、挤压制备铝合金经过挤压成形制备的方法可获得较高的成形精度和表面质量。

这是因为挤压时，铝合金在压力下经过模拟成形，能够保持成品的网状晶粒，但由于工艺复杂，价格较高，因此并不适用于一般制造业。

3、粉末冶金制备粉末冶金制备法是利用现代化学物理技术，通过机械力学处理精细铝合金粉末，将其压制成形并进行烧结、热变形等后工序制备而成的一种成型技术。

该方法能够制备出各种机械零件，但其内部结构和性能较单一，也不适用于特殊高强度要求，且价格较高。

二、铝合金材料表面改性铝合金表面改性主要是通过在表面形成一层薄膜，从而增加铝合金材料的抗腐蚀、耐磨、维护等的特色性能，提高其寿命和实际应用性能。

铝合金表面改性技术广泛应用于汽车制造、机械加工、空气动力学、海洋采油等领域。

1、阳极氧化阳极氧化是铝合金表面改性处理的一种常用技术。

其作用是将铝表面氧化成微孔状纳米氧化铝膜，形成极高的耐磨和抗腐蚀性能，并可形成各种颜色，以满足不同需求，广泛用于电子、装饰、机械零件等方面。

2、化学沉积化学沉积法是通过将铝合金表面渲染酸性溶液，控制沉积铝、钴、铜等金属的离子，从而形成一层铜合金薄膜的表面改性方法。

铝合金材料的改性与加工研究铝合金作为一种重要的工业材料，其在航空、汽车、建筑等领域具有广泛的应用。

然而，铝合金在实际应用中也存在一些问题，如强度不足、耐腐蚀性能差等，因此需要进行改性研究来提高其性能。

同时，铝合金的加工也面临一些具体挑战，在此需要对其加工技术进行深入研究。

本文将围绕铝合金的改性与加工两个方面进行讨论。

改性研究1、合金元素铝合金的改性首要手段便是加入合适的合金元素。

通常情况下，铜、镁、锰、锌等元素均可以用于改善铝合金的性能。

例如，适量加入铜元素可大幅度提高铝合金的屈服强度和抗拉强度，但也会降低其冷加工性能。

适量加入锰元素可提高铝合金的硬度和强度，同时降低其切削性能。

适量加入锌元素可提高锻造性能和塑性变形能力等。

2、热处理热处理是一种改善铝合金性能的常见手段。

对于非热处理强化的铝合金材料，可以通过加热使其晶粒长大，从而提高其塑性；同时也可以通过加热和淬火等手段提高其强度。

对于热处理强化的铝合金材料，可以通过适当调整热处理工艺参数，如温度和持续时间等，来达到最佳的强化效果。

3、表面处理铝合金表面处理可通过电化学氧化、阳极氧化和喷涂等方式来改善其耐腐蚀和耐磨性能。

电化学氧化常用于工业上对铝合金表面进行氧化处理，形成一层厚度为几微米至几十微米的氧化膜，不仅美观，而且耐腐蚀性和硬度都得到了提高。

阳极氧化技术则可以通过调整电解液的成分和工艺参数来得到不同颜色和厚度的氧化膜。

铝合金材料的喷涂则可以通过表面覆盖一层具备防腐、防磨等性能的涂层来改善其性能。

加工研究1、脱脂铝合金材料的加工脱脂铝合金材料是铝合金中使用较广泛的一种材料，其加工性能也备受关注。

脱脂铝材料的冷轧性能较好，但晶粒细小，塑性较弱，难以在常温下形成大变形。

因此，通常需要进行预热后加工，同时还可采取加热压铸、拉伸铸造、挤压等方式来改善其加工性能。

2、铝合金的挤压加工挤压是铝合金制造中最为常见的加工方式之一，它可以通过加热、冷挤压和热挤压来制备出各种形状的铝合金制品。

精密成形工程第15卷第12期表面改性技术研究现状甘国强1，韩震2，鲍建华1，WOLFGANG Pantleon3（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009；2.中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波 315000；3.丹麦技术大学，哥本哈根 2800）摘要：SiC颗粒增强铝基复合材料因具有高的比强度、比刚度、耐磨性及较好的高温稳定性而被广泛应用于航空航天、电子、医疗等领域，但由于SiC颗粒高熔点、高硬度的特点以及SiC颗粒与铝基体间存在界面反应，碳化硅铝基复合材料存在加工性差、界面结合力不足等问题，已无法满足航天等领域对材料性能更高的要求，因此开展如何改善基体与颗粒之间界面情况的研究对进一步提升复合材料综合性能具有重要的科学意义。

结合国内外现有研究成果，总结了SiC颗粒与铝基体界面强化机制、界面反应特点、表面改性技术原理及数值建模的发展现状，结果表明，现有经单一表面改性方法处理后的增强颗粒对铝基复合材料性能的提升程度有限，因此如何采用新的手段使复合材料性能进一步提升将成为后续研究热点，且基于有限元数值模拟方法进行复合材料设计也是必然趋势。

最后针对单一强化性能提升有限的问题，提出了基于表面改性的柔性颗粒多模式强化方法，同时针对现有的技术难点展望了后续的研究方向，以期为颗粒增强复合材料的制备提供理论参考。

关键词：碳化硅颗粒；表面改性；复合材料；模拟；界面DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.12.008中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)012-0058-10Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon CarbideParticle Reinforced Aluminum Matrix CompositesGAN Guo-qiang1, HAN Zhen2, BAO Jian-hua1, WOLFGANG Pantleon3(1. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Ningbo Branch of China Academy of Ordnance Science, Zhejiang Ningbo 315000, China;3. Technical University of Denmark, Copenhagen 2800, Denmark)ABSTRACT: SiC particle reinforced aluminum matrix composites are widely used in aerospace, electronics, medical and other fields due to their excellent properties such as high specific strength, high specific stiffness, high wear resistance, and high tem-perature stability. However, due to the high melting point and high hardness of SiC particles, as well as the interface reaction between silicon carbide reinforced particles and aluminum matrix, SiC aluminum matrix composites have problems such as poor收稿日期：2023-09-03Received：2023-09-03基金项目：安徽省重点研究与开发计划（JZ2022AKKG0100）Fund：Anhui Provincial Key Research and Development Project (JZ2022AKKG0100)引文格式：甘国强, 韩震, 鲍建华, 等. 碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状[J]. 精密成形工程, 2023, 15(12): 58-67.GAN Guo-qiang, HAN Zhen, BAO Jian-hua, et al. Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon第15卷 第12期 甘国强，等：碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状59processability and insufficient interfacial adhesion. It is no longer possible to meet the requirements for material performance in fields such as national defense and aerospace. Therefore, studying the ways to improve the interface between particles and ma-trix is of great scientific significance for improving the comprehensive performance of composite materials. In combination with existing research results at home and abroad, the interface strengthening mechanism, interface reaction characteristics, existing surface modification technology principles and numerical simulation development status of SiC reinforced particles and alumi-num matrix composites were summarized. The results showed that the performance improvement of reinforced particle alumi-num matrix composites after strengthening was limited after being treated with a single surface modification method. Therefore, how to adopt new methods to improve the performance of composite materials will become a hot research topic in the future, and the design of composite materials based on finite element numerical simulation methods is also an inevitable trend. Finally, in response to the limited improvement of single strengthening performance, the author proposes a flexible particle multimodal strengthening method based on surface modification, and looks forward to future research directions in response to existing technical difficulties, hoping to provide theoretical reference for the preparation of particle reinforced composite materials. KEY WORDS: SiCp; surface modification; composite material; simulation; interface碳化硅颗粒增强铝基复合材料是以碳化硅颗粒（SiCp ）作为增强相，以铝或铝合金作为基体的一种复合材料，因具有密度和价格成本低、高温性能良好、耐腐蚀耐磨及比强度和比弹性模量高等特点，已成为热门的新型结构材料之一，现已广泛应用于航空航天、电子、汽车及体育等多个领域，如汽车刹车盘、发动机缸体活塞等结构件中。

激光表面合金化的研究进展及应用（袁中涛20100110）摘要：激光表面合金化是一种材料表面改性处理的新方法，具有广阔的应用前景。

本文综述了激光表面合金化的研究现状，其中包括激光表面合金化工艺制定的基本原理及工艺分类，合金化涂层的组织特性与性能。

介绍了研究的材料类型及方法，国内外研究重点以及最新研究成果和理论分析，并且简要讲述了激光表面合金化在实际工程中的具体应用及研究展望。

同时本文指出了激光合金化当前研究存在的有待解决的问题和今后需要改进的方向。

关键词：激光表面合金化合金化涂层基体材料冶金结合正文：激光表面合金化是一种既改变表层的物理状态，有改变其化学成分的激光表面处理新技术。

它是利用高能激光束将基体金属表面熔化，同时加入合金化元素，在以基体为溶剂，合金化元素为溶质基础上形成一层浓度相当高、且相当均匀的合金层，从而使基体金属表面具有所要求的耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化等特殊性能。

激光表面合金化能够在一些价格便宜、表面性能不够优越的基体材料表面上制出耐磨损、耐腐蚀、耐高温抗氧化的表面合金层，用于取代昂贵的整体合金，节约贵重金属材料和战略材料，使廉价基体材料得到广泛应用，从而使生产成本大幅下降。

与常规热处理相比，激光表面合金化能够使难以接近的和局部的区域合金化，在快速处理的过程中能够有效的利用能源，利用激光的深聚焦在不规则的零件上可得到均匀的合金化深度。

而且具有工件变形小、冷却速度快、工作效率高、合金元素消耗少、不需要淬火介质、清洁无污染、易于实现自动化等优点，具有很好的发展前景。

目前。

激光表面合金化研究领域不仅限于低碳钢、不锈钢、铸铁，而且还涉及到钛合金、铝合金等有色金属[1,2]。

1.激光表面合金化的基本原理和工艺分类1.1激光表面合金化的基本原理激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。

由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的(微米级别)小斑点上，加上它本身强度高.故可以使焦点处的功率密度达到105～1013 W/cm2.温度可达1万°C以上。

摘要本论文分为两部分，第一部分为聚天冬氨酸改性的锆转化膜耐蚀性研究；第二部分为具自修复性的杂多酸改性锆系转化膜研究。

（1）采用浸渍法常温下在铝合金表面制备出一种高耐蚀性、高稳定性、高附着力的新型有机无机复合转化膜。

用重铬酸钾点滴试验、电化学工作站、场发射扫描电镜、X射线光电子能谱（XPS）等方法对膜层耐蚀性、微观形貌及化学组成进行表征，并采用退膜试验、耐水煮试验，抗杯凸试验和转化液稳定性试验对复合转化膜的膜重及附着力，转化液的稳定性进行了测试分析。

结果表明：聚天冬氨酸的加入量在0.5~1.0g/L时获得的转化膜耐蚀性最佳，相应的电化学拟合阻抗为64.26kΩ；通过聚天冬氨酸的加入可以改变膜层表面形貌，使得膜层有机物组分碳氧化合物的含量增加；此外聚天冬氨酸也使得膜层更为致密且耐盐水浸泡时间更长，但有机物的加入会使得膜重增加，不利于器材轻量化。

通过对XPS数据分析，该复合转化膜主要成分是ZrO2、ZrOF2及其有机络合物，这种环境友好的转化膜，有望取代铬酸盐处理工艺。

(2)以钨酸钠、偏钒酸钠、氟锆酸钾为成膜主盐，氟硼酸及硝酸镁为促进剂常温下利用浸渍法在铝合金表面制备了具自修复性的杂多酸改性锆系转化膜。

实验同时研究了转化液pH值，转化温度及转化时间对钒锆复合膜层耐蚀性的影响。

通过重铬酸钾点滴试验、电化学工作站、XPS、场发射扫描及能谱（EDS）等测试手段研究了不同氧化剂添加后膜层的微观形貌及耐蚀机理。

结果表明：双氧水和钨酸钠可以增加钒锆转化膜的耐蚀性，其中钨酸钠表现出来的自修复性能更加明显；过硫酸铵和高锰酸钾会降低钒锆转化膜的耐蚀性，并且膜层没有表现出期望的自修复性能。

在实验条件优化的基础上对钨钒杂多酸锆系转化膜进行了详细的XPS检测分析其自修复机理，结果表明成膜过程中钨钒杂多酸颗粒会夹杂在锆的沉积物并且主要沉积在膜层底部，当膜层受到腐蚀介质攻击时，钨钒杂多酸和铝基体及其内部复杂的杂多酸平衡体系将受到破坏，杂多酸会在腐蚀介质穿入微孔时发生聚合和氧化还原反应，包裹在钒酸根周围的钨酸根在酸性环境下会氧化钒元素使钒元素复归于高价态，杂多酸对铝基体还会产生二次钝化，使得受到破坏的氧化膜更加致密，宏观上起到自修复作用。