摘要
铝合金导体是被誉为现代智能电网神经节点的气体绝缘全封闭组合电器的核心部件。然而，作为增强铝合金导体电联接端导电性主流处理工艺的镀银，存在着镀层易剥落以及电镀本身对环境污染严重等问题。可见，寻求一种可替代镀银的铝合金导体电联接端改性工艺具有重要研究意义。基于国内外相关研究的综述，本文提出了“用激光冲击熔注技术在铝合金表面原位生成含微细稀土颗粒的改性层，从而发挥激光表面改性的优势和微细稀土颗粒的多元作用机制，进而取代镀银处理以解决镀层易剥落以及电镀过程存在的污染等问题”的新思路。研究中以A356铝合金为对象，以微细氧化铈为改性材料，基于对铝合金表面激光冲击熔注微细氧化铈颗粒过程的数值分析，得出本文实验条件下的较优熔注工艺，分析改性层不同区域的组织特征，考察改性层的导电性、抗氧化性、抗腐蚀性等性能特性，并初步讨论激光冲击熔注微细氧化铈的作用机制。从而，不仅为铝合金导体在气体绝缘全封闭组合电器中更环保、可靠地发挥作用提供实现方法，而且为推动微细颗粒激光冲击熔注技术更广泛应用提供技术支撑。 本文完成的主要工作和获得的结果如下： （1）基于温度场数值分析，开展激光冲击熔注微细CeO2p改性铝合金熔注工艺优化研究。借助Fluent软件建立了激光冲击熔注微细CeO2p改性A356铝合金有限元模型，分析了不同激光功率、扫描速度下熔池温度场的分布情况，通过正交优化实验结合对改性层熔池缺陷的表征得到了较优熔注工艺参数。研究表明：随着激光功率的增加或扫描速度的降低，激光辐照后产生的熔宽、熔深均增大；随着激光辐照后热量的累积，熔池保持液态的时间也越长。此外，本文研究条件下的较优熔注工艺参数为激光功率P=1025W、扫描速度V=0.0067m/s、离焦量D=0mm。 （2）基于流场数值分析，开展铝合金微细CeO2p激光冲击熔注改性层组织特征以及导电性的研究。根据数值分析结果对流体受力情况及力的作用机制进行分析，借助SEM、OM、XRD、EDS等分析测试手段，分析改性层的微观组织、相组成及强化机理，并考察改性层的导电性能。研究表明：在重力、浮力、表面张力和激光冲击力的协同作用下，充分搅拌熔池内部液体并形成强烈对流，使材料组织更加均匀、稀土活性作用发挥更充分，进而使熔池缺陷减少；激光冲击后，改性区为晶界结构清晰的等轴晶与枝状晶混合晶区；在不考虑接触电阻以及误差的情况下，改性层导电能力有轻微下降但仍在国际电导率要求范围内。 （3）基于恒温氧化实验，考察铝合金微细CeO2p激光冲击熔注改性层的抗氧化性能及机制。研究铝合金微细CeO2p激光冲击熔注改性层在160℃下的恒温氧化行为，并绘制改性层的氧化动力学曲线，基于氧化实验结果与相关理论，对比分析材料改性前、后的氧化表面形貌和氧化截面形貌，探究改性层氧化性能变化机制。研究表明：通过激光冲击熔注微细氧化铈颗粒的方式原位生成稀土改性层，在氧化过程中氧化速率下降，氧化增量减少，材料的抗氧化性得到明显改善；稀土的钉扎效应提升氧化膜的粘附性与抗开裂能力，进一步提高了材料的抗氧化性能。 （4）基于电化学腐蚀实验，考察铝合金微细CeO2p激光冲击熔注改性层的抗腐蚀性能及机制。研究铝合金微细CeO2p激光冲击熔注改性层在2%H2SO4和3%HF混合溶液中电化学腐蚀行为，进行电化学腐蚀实验，获得电化学腐蚀电位、Tafel极化曲线、交流阻抗图谱以及腐蚀后表面形貌，初步探讨改性层的抗腐蚀机制。研究表明：材料经过激光冲击微细熔注氧化铈后，引入了残余应力，使其表面以及内部晶界区域处的金属原子具备的电化学活性发生下降，进而对晶界间的选择性腐蚀产生抗性；腐蚀过程中生成的稀土氢氧化物对材料起到保护作用，从而抑制腐蚀介质对材料的腐蚀，进一步提高材料的抗腐蚀性。
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