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力，導致結(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)域的應用，如圖1所示。當前，微觀缺陷和殘余應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力的協(xié)同設計，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)表征和應力仿真兩個方面，闡明了微觀缺陷與殘余應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計方法。主要結(jié)論如下：

(1) 殘余應力不利于微弧氧化涂層鋁合金疲勞壽命的提高。微觀缺陷處的應力集中以及涂層與基體的殘余拉應力導致疲勞裂紋過早萌生，而涂層的殘余壓應力和基體的殘余拉應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) 外加載荷和殘余應力誘導中間層屈服區(qū)比例的變化，是影響疲勞裂紋萌生的關(guān)鍵問題。低應力條件下，基體中存在的殘余壓應力引起中間層屈服區(qū)比例降低，且相應涂層中存在殘余拉應力，導致裂紋易在含多微觀缺陷的涂層中萌生。

(3) 高應力條件下的殘余應力松弛弱化了微觀缺陷和殘余應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力的涂層中會嚴重損傷基體的疲勞性能。基體預處理、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)大學戴衛(wèi)兵副教授，通訊作者為遼寧工程技術(shù)大學郭辰光副教授。

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