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石油行业中固井使用的大功率柴油发电机铝活塞受到高温热疲劳、磨损和腐蚀,但铝合金表面的硬度、耐热和耐蚀性的不足制约了铝合金在石油行业的应用。研究发现微弧氧化处理后在铝合金表面形成的微弧氧化膜能基本满足活塞使用要求,但是未考虑在微弧氧化膜制备过程中对膜层的微观结构和宏观性能进行调控,以进一步提高微弧氧化膜的性能。本研究从材料掺杂改性的角度出发,在硅酸钠、氢氧化钠为基础的氧化液中分别引入Na2WO4、Na2MoO4和NH4VO3三种含有MOxy--的添加剂,以ZL108铝合金活塞为基体材料,探索三种改性添加剂对铝合金微弧氧化电压、氧化膜性能、形貌、膜层结构、相组成、掺杂改性形式的影响。然后研究电流密度、频率和氧化时间等工艺参数对改性微弧氧化膜性能的影响。在此基础上深入分析铝合金表面不同MOxy-改性微弧氧化膜机理,探索提高铝合金活塞微弧氧化膜性能的新途径。研究表明,随着改性剂添加量的增加,Na2WO4体系氧化电压上升、Na2MoO4体系氧化电压下降、NH4VO3氧化电压先增加后降低;氧化膜厚度、硬度、表面和截面W、Mo、V元素含量总体呈增加趋势。Na2WO4起到扩孔的作用,耐蚀性降低;Na2MoO4起到缩孔的作用;NH4VO3可实现扩孔或缩孔作用,膜层耐蚀性先增加后降低。微弧氧化膜中W、Mo、V元素主要以WO3、Mo02、V2O5形式存在。随着电流密度增大,三种改性氧化膜的氧化电压、厚度、硬度增加,膜层中W、Mo、V、O元素含量上升,Al元素含量下降;Na2WO4改性氧化膜微孔尺寸变大,NH4VO3和Na2MoO4改性氧化膜表面微孔逐渐消失;电流密度的改变使微弧氧化膜的相组成发生改变。随着时间和频率增加,Na2WO4和Na2MoO4改性氧化膜厚度和硬度提高;NH4VO3改性氧化膜厚度、硬度随时间变化增加,随频率变化先增加后降低。建立了铝合金表面MOxy-改性微弧氧化模型,分析认为氧化液中添加三种添加剂后溶解形成金属酸根阴离子WO42-、MoO42-和VO3-,氧化时在高压直流电场和氧化面气泡扰动作用下吸附在铝合金表面,生成一层较薄的凝聚层,在电弧重熔、氧化反应等作用下发生反应生成MaOb固溶微弧氧化膜,改变铝合金微弧氧化膜微观结构和宏观性能。气泡在微弧氧化时起关键作用,电阻热产生水蒸气气泡和水电解的氧离子形成的氧气气泡在热量的作用下快速长大,气泡内部压力快速下降形成低真空负压,在外加直流电场的作用下产生直流辉光放电,直流辉光放电的四个阶段与微弧氧化电压四个变化阶段形成对应关系。依据铝的高温氧化理论和欧姆定律推导了铝合金微弧氧化膜厚计算公式,该公式涵盖了氧化过程中与膜厚有关的工艺参数。研究成果为大功率柴油发电机铝活塞微弧氧化膜微观结构和宏观性能的调控提供了理论依据,实现了进一步提高微弧氧化膜性能的目的。