本文针对微弧氧化过程中局部放电机制不清、温度分布存在争议、第二相粒子作用规律复杂等与微弧氧化膜层性能密切相关的研究难点,设计搭建了原位连续观测系统,通过膜层的组织结构分析与耐蚀、耐磨性能评价,系统研究了铝合金在Na2SiO3-Na5P3O10-CH3COONa电解液体系中的微弧氧化行为与机理。采用添加第二相颗粒的方法制备了微弧氧化/强化颗粒复合膜,利用组织结构观察和膜层分析等手段研究了微弧氧化/强化颗粒复合膜的成膜机理,对比分析了微弧氧化/(ZrO2和h-BN)复合膜的耐磨和耐蚀行为。结合理论分析,探讨了微弧氧化过程中放电特征、微弧氧化复合膜层生长规律与机制,明确了高性能复合膜层制备的关键技术参数,主要研究结果如下:(1)原位连续观测了微弧氧化过程中局部微弧放电行为,放电产生的高温使基体金属及其氧化物熔融甚至气化,熔池中心为放电通道,随微弧氧化过程进行,电解液中水蒸气沿熔池通道逸出,熔融物体积增加。当熔融范围达到膜层厚度时,氧化膜发生击穿,在电解液冷却作用下熔融物迅速凝固,由于电荷导通火花放电停止,熔池停止增大,其尺寸和与膜层厚度一致。受生长机制影响微弧氧化膜非层状结构,无疏松层与致密层界面,不断生成的新熔池覆盖旧熔池使得膜层不断增厚。(2)在电解液中添加第二相颗粒后,部分第二相颗粒在反应过程中被微弧形成的熔池“捕获”后,进入微弧氧化膜表面熔池中,使得微弧氧化膜表面熔池数量明显减少。部分第二相颗粒以吸附、啮合的形式团聚在微弧氧化膜表面,形成微凸体。另有部分第二相颗粒在微弧氧化过程中高温放电融合进入微弧氧化膜内部。(3)微弧氧化复合膜表面的第二相颗粒是通过电泳、吸附、扩散作用在复合膜层表面形成富集,而微弧氧化膜熔池底部的第二相颗粒则由于在击穿放电发生时,熔池底部的熔融物沿放电通道向外喷出后,在通道内部形成负压,导致溶液中的第二相颗粒随溶液进入熔池通道内部并在底部沉积,形成微弧氧化复合膜。(4)加入不同第二相颗粒后,铝合金微弧氧化/h-BN复合膜的摩擦系数可降至约0.1,其耐磨性优于铝合金微弧氧化/ZrO2复合膜。这是由于h-BN颗粒具有类石墨的层状结构,在摩擦过程中层状h-BN间的分子作用力可以替代摩擦副之间的部分作用力。根据电化学测试,微弧氧化/ZrO2复合膜的自腐蚀电流密度为6.633×l0-7A·cm-2,比单一微弧氧化膜这一数值下降了 92.4%。添加ZrO2制备的微弧氧化复合膜耐蚀性能优于微弧氧化/h-BN复合膜。(5)作为工艺对比的Ti-6Al-4V钛合金基体,其微弧氧化复合膜中第二相颗粒在熔池温度场作用下发生相变,高温相在熔池快速冷却的冻结效应中保留呈多相并存状态。低温相是在熔池温度场作用时间较长区域由高温相的二次相变产生。微弧氧化熔池活跃时期的最低温度高于2123K,最高温度不低于3683K。熔池持续活跃时间在微弧氧化初期较短(毫秒级),随膜层厚度增加而增大(秒级),熔池温度场梯度很大,约为70K/μm。(6)微弧氧化第二相颗粒复合过程包括两步,一是第二相颗粒达到阳极表面,包含紊动扩散、压差驱动和带电迁移三种机制;二是第二相颗粒复合进入膜层,包含冲压回拢、啮合融覆、高位冲击和区域重组4种模型。微米亚微米级第二相颗粒对复合膜的强化机理是元素掺杂。第二相颗粒进入复合膜的方式是熔池冷却过程中粘附在表面,在下一轮的熔池活跃期被熔池熔融物裹夹进入膜层。