鋁合金微弧氧化技術(shù)應(yīng)用研究

楊鈿，周隆先

（總裝備部重慶軍事代表局，重慶 400060）

微弧氧化技術(shù)是在傳統(tǒng)的液相電化學(xué)氧化反應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它將工作區(qū)域引入到高壓放電區(qū)域，使金屬表面處在微弧形成的等離子體高溫（約3000 K）、高壓（20～50MPa）作用下，在金屬表面原位生成堅(jiān)硬、致密的陶瓷氧化膜，如鋁合金表面微弧氧化膜主要由α-Al2O3，γ-Al2O3相組成，所得的氧化膜硬度高、與基體結(jié)合牢固、結(jié)構(gòu)致密，大大提高了有色金屬的耐磨損、耐腐蝕、抗高溫沖擊及電特性等多種性能[1—5]。

通過對不同牌號的鋁合金進(jìn)行微弧氧化處理，了解并掌握了鋁合金微弧氧化技術(shù)的工藝特點(diǎn)，包括設(shè)備性能特點(diǎn)、溶液體系、處理參數(shù)等；并通過各種檢測手段測定了鋁合金微弧氧化膜層的性能指標(biāo)，提升了產(chǎn)品的三防性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料選擇

日常使用的鋁合金結(jié)構(gòu)件材料主要有LY12，LD31，LF6，LF21。本研究的對象為上述四種鋁合金，同時(shí)對LY12硬質(zhì)陽極氧化樣件進(jìn)行了對比分析。

1.2 處理參數(shù)

微弧氧化和硬質(zhì)陽極氧化工藝特點(diǎn)比較見表1。

表1 微弧氧化和硬質(zhì)陽極氧化工藝比較Table 1 Processcomparison ofMicro Arc Oxidation and Hard Anodic Oxidation

微弧氧化設(shè)備采用北京師范大學(xué)研制的型號為WHYH-40設(shè)備，功率為40 kW。設(shè)備外觀及氧化過程如圖1所示。從圖1b中可見，在氧化過程中，工件表面產(chǎn)生弧光，形成等離子體微弧。

圖1 WHYH-40微弧氧化設(shè)備Fig.1 EquipmentofWHYH-40Micro Arc Oxidation

微弧氧化設(shè)備采用雙極性大功率脈沖電源，正負(fù)電壓可獨(dú)立調(diào)節(jié)，氧化溶液采用硅酸鹽堿性溶液體系。不同牌號鋁合金的微弧氧化處理參數(shù)及膜層厚度見表2，用于對比的LY12硬質(zhì)陽極氧化樣件膜層厚度約為50μm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膜層形貌及成分分析

鋁合金微弧氧化膜層呈灰白色，隨基體型號及膜層厚度略有差別，如圖2a所示。微弧氧化膜層分為疏松層和致密層，如圖2b所示。

由圖2b可見，微弧氧化膜層的疏松層有許多孔洞，這是在氧化過程中微弧放電形成的熔融坑急速冷卻后形成的，而致密層則孔洞很少。

表2 微弧氧化處理參數(shù)Table 2 ParametersofMicro Arc Oxidation

圖2 微弧氧化膜層形貌Fig.2 Morphology of theMicro Arc Oxidation film

經(jīng)過X射線衍射分析可知，微弧氧化膜層主要由α-Al2O3，γ-Al2O3相組成。從已有的研究可知，氧化膜疏松層中含γ-Al2O3相較多，而致密層中含α-Al2O3相較多。γ-Al2O3相屬于亞穩(wěn)態(tài)氧化鋁相，其硬度低于熱力學(xué)穩(wěn)定相——α-Al2O3相。

2.2 氧化膜硬度及耐磨性能分析

從鋁合金微弧氧化膜膜層形貌及成分分析可知，氧化膜由外層多孔疏松層及內(nèi)層致密層組成。氧化膜疏松層中含γ-Al2O3相較多，而致密層中含α-Al2O3相較多。γ-Al2O3相硬度低于α-Al2O3相。正是由于疏松層多孔且γ-Al2O3相較多，因而其硬度及耐磨性能遠(yuǎn)低于致密層。因此，本研究僅分析了微弧氧化氧化膜致密層的硬度及耐磨性能。

硬度測試分析儀器為HX-1型顯微硬度計(jì)。樣品硬度測量結(jié)果見表3。由表3可見，微弧氧化膜致密層硬度遠(yuǎn)高于基體硬度，也遠(yuǎn)高于硬質(zhì)陽極氧化膜。

表3 樣品硬度測量Table3 Hardnessof the samples

鋁合金基體和微弧氧化膜致密層摩擦磨損測試分析后的表面形貌如圖3所示。

圖3 摩擦磨損測試分析后的樣品表面形貌Fig.3 Surface topography of samples which were subjected to friction andwear

摩擦磨損測量結(jié)果見表4。由表4可知，微弧氧化膜致密層在測試參數(shù)（負(fù)載和轉(zhuǎn)速）遠(yuǎn)高于鋁基體和硬質(zhì)陽極氧化膜測試參數(shù)的條件下，磨損速率仍遠(yuǎn)低于鋁基體和硬質(zhì)陽極氧化膜。這表明微弧氧化膜致密層耐磨損性能優(yōu)于鋁基體和硬質(zhì)陽極氧化膜。

2.3 氧化膜耐腐蝕性能分析

本研究通過電化學(xué)測試分析和中性鹽霧試驗(yàn)兩種方法來檢驗(yàn)鋁合金微弧氧化膜層的耐腐蝕性能。

2.3.1 電化學(xué)測試分析

電化學(xué)測試分析儀器型號為CS300電化學(xué)測試系統(tǒng)。通過電化學(xué)測試可以獲得材料的腐蝕電位和腐蝕電流，通過分析腐蝕電位和腐蝕電流來判斷材料的耐腐蝕性能。圖4為LD31微弧氧化樣品與鋁基體電化學(xué)曲線的比較，其中橫坐標(biāo)為腐蝕電流密度，縱坐標(biāo)為腐蝕電位。

表4 摩擦磨損測試分析數(shù)據(jù)Table4 Dataanalysisof the friction andwear test

圖4 電化學(xué)曲線Fig.4 Electrochemicalcurve

樣品電化學(xué)測試分析見表5。由表5可見，表面氧化樣品的腐蝕電流與腐蝕電位較鋁基體和硬質(zhì)陽極氧化膜有較大降低，耐腐蝕性能得到改善。

表5 電化學(xué)測試分析數(shù)據(jù)Table5 Dataanalysisof theelectrochemical test

2.3.2 鹽霧試驗(yàn)

中國賽寶實(shí)驗(yàn)室的鹽霧試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果見表6。鹽霧試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)為GJB 150.11A—2009“軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法——鹽霧試驗(yàn)”。

表6 鹽霧試驗(yàn)檢測結(jié)果Table6 Testing resultof the saltspray test

鹽霧試驗(yàn)后樣品外觀如圖5所示。

圖5 鹽霧試驗(yàn)后樣品外觀Fig.5 Fa?ade ofsamplesafter the saltspray test

2.3.3 濕熱試驗(yàn)

濕熱試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果見表7。濕熱試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)為GJB 150.9A—2009“軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法——濕熱試驗(yàn)”。

濕熱試驗(yàn)條件參數(shù)為：高溫高濕階段60℃，相對適度95%；低溫高濕階段30℃，相對適度95%；試驗(yàn)周期數(shù)：10個(gè)周期（1周期為24 h）。

表7 濕熱試驗(yàn)檢測結(jié)果Table 7 Testing resultof the damp heat test

濕熱試驗(yàn)后樣品外觀如圖6所示。

圖6 濕熱試驗(yàn)后樣品外觀Fig.6 Fa?adeofsamplesafter the damp heat test

3 結(jié)論

通過研究不同牌號鋁合金的微弧氧化處理參數(shù)、工藝方法以及氧化膜層的性能指標(biāo)，得出以下結(jié)論：

1）微弧氧化工藝所采用的氧化液為硅酸鹽堿性溶液體系，正電壓500～530 V，負(fù)電壓160～200 V。溶液溫度以室溫為宜，溫度變化范圍較寬，微弧氧化工藝流程簡單；

2）微弧氧化膜層達(dá)到了以下技術(shù)指標(biāo)：氧化膜層厚度20～120μm；氧化膜致密層硬度（HV）＞900；致密層耐磨，磨損率＜10-4mm3/（N·m）；鹽霧試驗(yàn)時(shí)間＞96 h；濕熱試驗(yàn)時(shí)間＞10個(gè)周期；

3）微弧氧化技術(shù)與陽極氧化技術(shù)相比，工藝流程較簡單，條件要求較寬松，膜層性能優(yōu)于陽極氧化膜。

[1] 辛鐵柱，趙萬生，劉晉春，等.鋁合金微弧氧化過程的特性研究及機(jī)理分析[J].表面技術(shù)，2006，35（2）：14—15. XIN Tie-zhu，ZHAO Wan-sheng，LIU Jin-chun，etc.The Characteristics Research and Mechanism Analysis in Aluminum MAO Process[J].Surface Technology，2006，35（2）：14—15.

[2]薛文彬，鄧志威，來永春，等.鋁合金微弧氧化陶瓷膜的相分布及其形成[J].材料研究學(xué)報(bào)，1997，11（4）：169—171. XUEWen-bin，DENG Zhi-wei，LAIYong-chun，etc.The Facies Distribution and Formation of Aluminum MAO Ceramic Coating[J].Materials Research Journal，1997，11（4）：169—171.

[3]薛文彬，來永春，鄧志威，等.鋁合金微弧氧化膜的形成與特性[J].電鍍與精飾，1996，18（5）：3—5. XUEWen-bin，LAIYong-chun，DENG Zhi-wei，etc.The Formation and Characteristics of Aluminum MAO Film[J]. Platingand Finishing，1996，18（5）：3—5.

[4] 薛文彬，鄧志威，來永春，等.鋁合金微弧氧化陶瓷膜的形貌及相組成分析[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1996，32（1）：67—70. XUEWen-bin，DENG Zhi-wei，LAIYong-chun，etc.The Morphology and Phase Composition Analysis of Aluminum MAO Ceramic Coating，Beijing Normal University Journal（NaturalScience Edition）[J].1996，32（1）：67—70.

[5] 胡正前，馬晉.硅酸鹽電解液中鋁合金微弧氧化陶瓷膜層的結(jié)構(gòu)與性能[J].金屬熱處理，2003，28（3）：23—26. HU Zheng-qian，MA Jin.The Structure and Properties of Aluminum MAO Ceramic Coating in Silicate Electrolyte[J]. HeatTreatmentofMetals，2003，28（3）：23—26.