随着铝合金表面涂层在航空航天等设备上使用的广泛性，要求材料表面处理在提高基体抗腐耐磨性能的同时，不显著降低基体的疲劳寿命，提高材料服役可靠性。经过大量的研究发现，传统的铝合金氧化方法都有不同程度的降低了铝合金的疲劳寿命，微弧氧化技术可在铝合金表面制备更厚、更致密的陶瓷涂层，其抗磨及耐蚀性能显著优于阳极氧化或硬质阳极氧化膜，但同时也降低了铝合金的疲劳性能。

本项目利用金属纳米化表层过渡组织特征及微弧氧化陶瓷层在金属纳米晶层原位生长的特点，从提高微弧氧化后合金疲劳强度的角度出发，提出综合运用表面纳米化与微弧氧化技术的复合来设计具有多尺度、多层次、全新结构的复合涂层，以获得延长的疲劳寿命且抗磨及耐蚀的优异性能。

1、主要研究内容如下：

（1）铝合金表面纳米化过渡层组织与引入压应力的可控制备技术

采用高能喷丸对金属表面纳米化处理获得过渡层组织，研究不同喷丸介质、时间对过渡层组织（纳米晶层、微米晶层与孪晶层）厚度影响，探索不同厚度纳米晶层过渡组织与压应力的关系。

l经陶瓷球表面机械研磨处理15min在铝合金表面制备厚度为60μm的变形层，在变形层内晶粒尺寸呈梯度分布，其中最表层纳米晶层厚度约为20μm，平均晶粒尺寸52.8nm。

l钢球表面机械研磨处理15min后，铝合金表层平均晶粒尺寸细化至55nm，同时在处理过程中GCr15弹射球中的Fe元素扩散进入铝合金表面，形成厚度约为5μm的扩散层，Fe以四种形式存在：固溶体、纳米晶Fe-Al化合物、单质Fe及非晶Fe2O3。

（2）基于等离子弧光放电的纳米晶层微结构重构与成型机制研究

研究金属表面不同组织状态（原始微米晶与纳米晶）对等离子弧光放电行为、涂层生长于组织结构的影响，揭示金属纳米化对陶瓷化涂层致密性的作用机制；研究膜基界面处金属纳米晶层组织与原始晶粒差异，阐明纳米晶组织在等离子弧光放电瞬时高温作用下的热稳定性。

lTEM结果表明纳米化-微弧氧化复合改性层陶瓷外层由γ-Al2O3柱状晶和非晶相组成。微弧氧化处理过程中的对基体金属的热输出小，不会影响基体合金的组织结构，因而膜基界面附近基体合金晶粒尺寸仍为纳米量级，说明通过复合采用表面机械研磨处理和微弧氧化技术在铝合金表面成功制备出外层为陶瓷涂层、而与之接壤的内层基体合金为纳米晶组织的纳米化-微弧氧化复合改性层。

l与相同涂层厚度的微弧氧化涂层相比，纳米化-微弧氧化复合改性层陶瓷外层的表面孔隙率和显微硬度增大，陶瓷外层厚度分别为5μm、10μm和15μm的复合改性层表面粗糙度Ra分别为3.45μm、3.65μm和3.93μm，显微硬度分别为HV574、970和1130。

（3）铝合金表面不同微结构陶瓷化涂层的疲劳寿命强化机制研究

开展不同微结构层与表面应力-疲劳寿命关系研究，揭示多层涂层中纳米晶层与致密陶瓷涂层及紧密结合界面对提高疲劳寿命的作用机制。

l与相同厚度微弧氧化涂层试样相比，厚度分别为5μm、10μm和15μm的纳米化-微弧氧化复合改性层试样的屈服强度分别增加了8.0%、8.0%和5.4%，抗拉强度分别提高了3.0%、1.5%和4.5%。

l在相同拉伸延伸率(8%)条件下，复合改性层陶瓷外层比微弧氧化涂层具有更好的抗拉伸破坏能力，表现出更好的膜基结合性能。

l表面机械研磨处理使铝合金的疲劳寿命增加4.6%。与相同厚度的微弧氧化涂层试样相比，陶瓷涂层厚度为5μm和10μm复合改性层试样的疲劳寿命分别提高了21.9%和23.0%。

（4）铝合金表面不同微结构陶瓷化涂层的腐蚀性能强化机制研究

开展不同微结构涂层腐蚀性能研究，重点研究多层复合涂层中不同厚度的纳米晶层/陶瓷化重构层对腐蚀性能的影响规律，揭示纳米晶层的活化作用对提高抗腐蚀性能的作用机制。

l与相同厚度的微弧氧化涂层相比，陶瓷外层厚度为5μm和10μm的纳米化-微弧氧化复合改性层在长期浸泡试验中表现出较好的抗腐蚀性能；

l铝合金基体在1400h盐雾实验后已严重腐蚀，而10μm厚微弧氧化涂层试样在1400h盐雾实验后表面出现少量腐蚀痕迹，纳米化-10μm厚微弧氧化涂层试样在1500h后，表面形貌保持良好，没有出现腐蚀现象。纳米化-10μm厚微弧氧化涂层试样比单一10μm厚微弧氧化涂层试样，耐盐雾抗腐蚀性能提高96h以上。

2、铝合金表面等离子纳米陶瓷化复合改性技术特点

（1）突破性的提出金属表面纳米化与等离子陶瓷化技术复合构造的新型纳米陶瓷化复合涂层，攻克了制约单一陶瓷化涂层在交变或冲击应力等严酷条件下使用时疲劳寿命显著下降的关键技术难题，具有重要的科学意义与工程应用价值。

（2）首次揭示金属表面组织状态（原始微米组织、纳米晶组织）对陶瓷化涂层生长过程、组织结构的影响，以及纳米晶层在等离子弧光放电化条件下的热稳定性等有关科学问题，纳米晶过渡层组织厚度大于20μm。

（3）揭示陶瓷化对金属纳米晶层表面应力的影响及与疲劳寿命、腐蚀性能的关系，阐明表面应力对疲劳、腐蚀损伤的作用机制，膜基界面处基体表面拉应力变为压应力，纳米晶层的引入使疲劳寿命比陶瓷化涂层提高20%以上，耐盐雾性抗腐蚀性能提高96h以上。

3、应用推广

离子纳米陶瓷化复合层是在铝合金表面原位生长而形成的，比传统阳极氧化膜更致密、更厚的涂层，具有优异的防腐、抗磨性能，且相比单一的微弧氧化陶瓷层对基体合金的疲劳性能几乎没有影响，在航空飞行器铝合金结构上具有广阔应用前景。

4、申报单位

中国特种飞行器研究所隶属于中国航空工业集团有限公司，是我国航空工业五个主机研究所之一，该单位长期致力于飞机腐蚀防护与控制技术研究，在腐蚀防护与控制标准体系、结构抗/防腐蚀设计、先进表面工程技术应用、腐蚀损伤预测与评估、防腐蚀维护和修理技术等方面做了系列化的研究工作，形成了铝合金、钛合金微弧氧化特种工艺等科研成果，解决了制约微弧氧化涂层在交变或冲击应力等严酷条件下使用的关键，直接推动了微弧氧化技术的前进。