铝合金微弧氧化技术研究进展

摘要：综述了微弧氧化技术的发展和研究现状,介绍了微弧氧化技术的原理、特点,以及陶瓷膜层的结构和性能,展望了微弧氧化技术的应用前景。

关键词：铝合金  微弧氧化  陶瓷膜层   研究进展

1、前言

铝合金具有比重小、高比刚度、高比强度、加工性能好、易于成型、价格便宜等优点,在航空、航天、汽车、建筑、电子等领域得到了广泛的应用。随着科技的进步和发展,一般的铝合金材料难以满足人们的要求,近年来,铝合金表面陶瓷化技术倍受人们关注,即以铝合金材料为基体,采用有效手段在其表面制备陶瓷膜层,使其与陶瓷材料互相复合,取长补短,制备出既有金属强度和韧性,又有陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点的复合材料,因而表面陶瓷化技术的研究日益广泛。

2、微弧氧化技术的发展及现状

上世纪30年代初,国外的研究人员发现,在高电场下浸泡在液体中金属表面出现火花放电现象,产生的火花对氧化膜有破坏作用,在后来的研究中又发现利用此现象在有色金属表面可以生成具有陶瓷结构和特性的氧化膜,并应用于镁合金的防腐上。大约从70年代开始,美国伊利诺大学和德国卡尔马克思城工业大学等单位用直流或单向脉冲电源开始研究Al、Ti等阀金属表面火花放电沉积膜,并分别命名为阳极火花沉积和火花放电阳极氧化。1977年,俄罗斯科学院无机化学研究所的研究人员采用交流电压模式,使用电压比火花放电阳极氧化高,并称之为微弧氧化。自80年代,德国研究人员利用火花放电在纯铝表面获得含α-Al2O3的硬质氧化膜层以来,微弧氧化技术得到很大发展。进入90年代以来,美、德、俄、日等国加快了微弧氧化或火花放电阳极氧化技术的研究开发工作,该技术已引起许多研究者的关注,正成为国际材料科学研究热点之一。

3、微弧氧化技术的原理和特点

3.1 基本原理

微弧氧化是一种采用高电压（大于250V）、大电流对有色金属材料进行表面处理,直接在其表面原位生长陶瓷层的新技术。它是近十几年在阳极氧化基础上发展起来的,但两者在机理、工艺及膜层性质上有许多区别。其原理是:将Al、Mg、Ti等有色金属或合金做作为阳极置于电解质水溶液中,利用电化学方法在材料表面微孔中产生火花放电斑点,在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下,生成陶瓷膜层的方法。

3.2 技术特点

等离子体微弧氧化技术的工艺特点是:（1）工艺简单;（2）效率高,依据不同性能要求处理时间为7-20min;（3）无污染,采用的电解液对生态环境无污染;（4）处理能力强,对异形零件、孔洞、焊缝的可加工能力强于其他表面陶瓷化工艺;(5)工艺成本低,由于可以合理控制化学反应速度、外来相沉积速率及反应烧结的能量,制备相同性能陶瓷层的工艺成本大大低于阳极氧化技术;（6）工艺重现性好,对陶瓷涂层性能影响因素少且对控制精度要求低。

4、微弧氧化陶瓷膜层的组织与性能

4.1 陶瓷膜层的组织结构

铝合金表面微弧氧化的产物是一种多孔状、与基体结合牢固、具有陶瓷特征的氧化物。陶瓷膜层可分为两层结构,外部的疏松层和内部的致密层。外部疏松层颜色较亮,由较大陶瓷颗粒组成,在砂纸上容易磨掉最粗糙部分,残留部分存在较大孔洞,内部致密层与疏松层界面呈犬牙交错,且与铝基体结合良好。膜层中陶瓷相粒子是在铝基体上直接生长起来的,膜层和基体直接在离子键的作用下结合在一起的,由于等离子体弧光放电的高密度能量使基体表面微区内形成熔融区,使陶瓷层与基体间形成微区冶金结合,提高膜层与基体间的结合强度。

研究表明,陶瓷膜层主要由α-Al2O3和γ-Al2O3组成,从外层到内层γ-Al2O3相含量逐渐减少,而α-Al2O3逐渐增加。在内层α-Al2O3的含量高达50%以上,并与γ-Al2O3有机结合在一起,使得陶瓷层硬度很高,耐磨性能优异。

4.2 陶瓷膜层的性能

研究表明,微弧氧化陶瓷膜具有卓越的性能。该膜层硬度、耐磨、耐蚀等性能与传统的方法相比都有了较大的提高。

陶瓷膜层的最大厚度可达300μm,致密层中的显微硬度大于1500Hv,极值点硬度可达2300Hv。利用显微力学探针分析,从陶瓷层的表面到内部,硬度和弹性模量逐渐增加,在内层达到最大值,分别是15GPa和250GPa。微弧氧化陶瓷层具有与硬质合金相当的耐磨性能,优于铝合金表面镀硬Cr涂层,在一定的压力载荷范围内,陶瓷层具有3.4-4.3μm/行程的耐磨性能,优于等离子喷涂陶瓷涂层的耐磨性能(15-20μm/行程),陶瓷层的划痕临界载荷为40N(镀硬Cr涂层为18N),耐盐雾腐蚀寿命大于2000h。

5、结语及展望

铝合金经微弧氧化处理后,材料表面的硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能有很大提高。此技术的发展及应用拓宽了铝合金的适用范围。由于等离子体微弧氧化技术具有工艺简单、处理效率高、工艺成本低、无污染等特点,所制得的陶瓷膜除具有一般结构陶瓷涂层的耐磨、耐蚀、耐高温等优异特点外,还可以根据不同的性能要求,制备出具有装饰、磁电屏蔽、电绝缘等功能性膜层。因此该技术已成为国际材料研究的热点之一,在航空、航天、建筑、纺织、电子工业等领域具有广阔的应用前景。该技术的推广应用一定会推动我国表面处理行业、轻合金加工制造行业及相关行业的技术进步。