鋁合金表面微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

張彥濤

微弧氧化是一種在金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜的表面處理技術(shù)，可大幅提高鋁合金表面耐磨性及耐蝕性。本文闡述了鋁合金微弧氧化技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用概況，以及微弧氧化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

微弧氧化技術(shù)又稱(chēng)微等離子體氧化、火花放電陽(yáng)極氧化。它是將鋁，鎂，鈦等有色金屬及其合金，在適當(dāng)?shù)碾妳?shù)條件下使其與電解液中的溶質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，最終在金屬表面生成了具有一定厚度的陶瓷膜。利用該技術(shù)在鋁及其合金上生長(zhǎng)一層Al2O3陶瓷膜，該陶瓷膜具有良好的耐磨、耐蝕性，而且可通過(guò)改變電參數(shù)和電解液等得到不同性能、不同顏色的陶瓷膜。

鋁合金微弧氧化過(guò)程

微弧氧化過(guò)程中具有等離子體放電通道的高溫高壓及電解液溫度低的特點(diǎn)，在此極限條件下的反應(yīng)過(guò)程可賦予陶瓷膜層其它技術(shù)難以獲得的優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕等性能，同時(shí)使鋁合金基體的保持原有性能。液相中參與反應(yīng)并形成陶瓷膜的粒子在電場(chǎng)力的作用下傳輸?shù)交w附近的空間參與成膜，陶瓷膜層的厚度、組成、結(jié)構(gòu)可以通過(guò)電源電參數(shù)和改變電解液組成進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷膜層的設(shè)計(jì)與構(gòu)造。微弧氧化過(guò)程一般可以分為以下四個(gè)階段：

普通陽(yáng)極氧化階段：在氧化初期，樣品表面顏色變暗，形成一層較在電流密度恒定的條件下，電壓迅速升高。該階段形成的阻擋層是后續(xù)階段產(chǎn)生火花放電的必要條件。

微弧氧化階段：隨著電壓的不斷升高，在氧化膜層的相對(duì)薄弱的地方將會(huì)被擊穿，在樣品表面能夠觀察到火花放電現(xiàn)象。這些火花較小，但密度很大（約為105個(gè)/cm2），它在樣品表面形成了大量的等離子微區(qū)。這些熔融物與電解液發(fā)生反應(yīng)，并被溶液冷卻形成Al2O3，從而使這一區(qū)域的膜相應(yīng)地增厚。

微弧氧化和弧放電共存階段：該階段樣品表面開(kāi)始出現(xiàn)較大的紅色放電弧斑，它是由某些部位經(jīng)過(guò)多次放電后，使得原來(lái)較小的放電通道彼此相連而形成較大的放電氣孔。在這一階段可以觀察到電壓緩慢下降。

弧放電階段至反應(yīng)結(jié)束隨著薄膜的增厚，紅色放電弧斑逐漸減少，電壓迅速上升。最終在樣品表面形成具有內(nèi)部致密層和外部疏松層的雙層結(jié)構(gòu)。

鋁合金微弧氧化技術(shù)特點(diǎn)

微弧氧化是在傳統(tǒng)陽(yáng)極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，但與陽(yáng)極氧化相比較，具有其優(yōu)越的特點(diǎn)：

微弧氧化電解溶液以堿性電解液為主，環(huán)境污染小，而陽(yáng)極氧化為酸性電解液，環(huán)境污染大；在基體表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜，陶瓷膜致密均勻，膜層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，而陽(yáng)極氧化膜層比較脆，柔韌性差；良好的耐磨損性，耐熱性及抗腐蝕性，一般不需要后處理化學(xué)封孔，而陽(yáng)極氧化膜層耐磨性、耐蝕性較差。良好的絕緣性能，電阻可達(dá)100M ；能大幅度提高鋁合金材料的表面硬度，顯微硬度一般在100～2000HV的范圍內(nèi)，最高可達(dá)3000HV，陽(yáng)極氧化的最大硬度僅為500HV；通過(guò)改變工藝條件和電解液組分或添加膠體微粒等可實(shí)現(xiàn)陶瓷膜層的功能化，調(diào)整膜層的微觀結(jié)構(gòu)及膜層厚度。

總之，微弧氧化技術(shù)屬于環(huán)境友好型技術(shù)，工藝簡(jiǎn)便，受工件形狀影響比較小，與電鍍、陽(yáng)極氧化等表面改性技術(shù)相比，具有工序簡(jiǎn)單、效率高、生成的膜層性能良好等優(yōu)點(diǎn)。

鋁合金微弧氧化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，俄、美、日等世界發(fā)達(dá)國(guó)家在微弧氧化成膜性能、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面投入了大量的研究工作。我國(guó)研究微弧氧化技術(shù)開(kāi)始從于20世紀(jì)90年代，研究起步較晚，同時(shí)微弧氧化主要集中在實(shí)驗(yàn)過(guò)程上，理論研究相對(duì)滯后。近年來(lái)相關(guān)科研院所通過(guò)深入研究微弧氧化技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。主要研究機(jī)構(gòu)為北京師范大學(xué)低能核物理研究所，對(duì)鋁合金微弧氧化陶瓷層的制備過(guò)程、能量交換、膜的形貌結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用等都進(jìn)行了有益的探索，哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院采用等離子增強(qiáng)電化學(xué)表面處理技術(shù)（PECC）對(duì)鋁合金表面陶瓷化處理，研究陶瓷膜層成膜過(guò)程和成膜機(jī)制，哈爾濱三利亞有限公司由試驗(yàn)階段開(kāi)始轉(zhuǎn)向小批量生產(chǎn)，還有北京航空材料研究院、西安理工大學(xué)、湖南大學(xué)、北京礦冶研究總院等單位參與此技術(shù)的研究。

近年來(lái)在鋁、鈦及鎂合金微弧氧化的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面有很大的進(jìn)步，如蔣百靈等對(duì)鋁、鎂合金微弧氧化設(shè)備及工藝技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，并在許多領(lǐng)域有所應(yīng)用。例如一汽紅旗世紀(jì)星轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、鎂合金高壓熱水交換管、鎂合金輪轂、鋁合金微型沖鋒槍托架、鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的表面處理均采用微弧氧化技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，其成本只有硬質(zhì)陽(yáng)極氧化和電鍍硬鉻的1/3～1/4。深圳法蘭士公司的超硬鋁構(gòu)件、深圳佳馳油泵蓋以及某顯微鏡公司的載物小平臺(tái)也在使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行微弧氧化，產(chǎn)品的耐磨性能較硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜提高了35%，并已經(jīng)開(kāi)始批量化生產(chǎn)。相關(guān)企業(yè)都在積極地推廣或應(yīng)用微弧氧化技術(shù)。

微弧氧化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

將微弧氧化技術(shù)應(yīng)用在鋁合金表面改性中，可制備出高硬度、高結(jié)合強(qiáng)度的陶瓷膜層，能使鋁合金原有的耐磨性差的問(wèn)題得到大幅度提高，可解決鋁合金耐磨性差的問(wèn)題，并且改善與提高鋁合金的耐腐蝕性。隨著人們對(duì)微弧氧化技術(shù)的不斷探索以及該技術(shù)日益表現(xiàn)出的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，微弧氧化技術(shù)在金屬表面改性技術(shù)領(lǐng)域展示了更為廣泛的應(yīng)用前景，預(yù)計(jì)其發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：

微弧氧化電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)：微弧氧化的合適放電區(qū)間較窄，要求對(duì)放電后的電參數(shù)控制比較精確，大電流、高電壓對(duì)供電電源提出了高要求，由于對(duì)微弧氧化本質(zhì)認(rèn)識(shí)限制，使得電源的設(shè)計(jì)及制造仍停留在經(jīng)驗(yàn)摸索層面上，帶有很大的盲目性。

電解液的合理開(kāi)發(fā)及選擇：缺乏對(duì)單組分電解液及反應(yīng)機(jī)理的深入研究，電解液的選擇停留在經(jīng)驗(yàn)摸索上，難以與微弧氧化電源的合理銜接，進(jìn)行陶瓷膜層的構(gòu)造設(shè)計(jì)。

提高微弧氧化效率：電源消耗的能耗中用到膜層生長(zhǎng)的大約為10～30%之間，提高微弧氧化效率也是微弧氧化技術(shù)得已推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，還存在電解液冷卻困難，消除噪聲等問(wèn)題。

微弧氧化陶瓷膜著色工藝：目前對(duì)制備顏色均勻的微弧氧化陶瓷膜的研究重視不夠，一步方法完成特定顏色性能良好的陶瓷膜較為困難。