基于等離子體電解氧化和激光重熔的鋁合金表面陶瓷化技術(shù)

喻 杰，狄士春，楊俊杰，王 巖

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

基于等離子體電解氧化和激光重熔的鋁合金表面陶瓷化技術(shù)

喻 杰，狄士春，楊俊杰，王 巖

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

介紹了一種等離子體電解氧化和激光重熔的復(fù)合工藝，可對(duì)鋁合金表面進(jìn)行陶瓷化。分析了激光與等離子體電解氧化膜層相互作用過(guò)程中的等離子體現(xiàn)象，根據(jù)對(duì)膜層的不同影響，將其歸納為3種類型的等離子體，并進(jìn)一步闡述了等離子體電解氧化和激光重熔工藝的相互影響。電子顯微鏡和超顯微硬度計(jì)檢測(cè)結(jié)果表明：激光重熔降低了等離子體電解氧化膜層的孔隙率，并提高了致密度和硬度。

等離子體電解氧化；激光重熔；鋁合金；等離子體

等離子體電解氧化 （PEO）表面處理技術(shù)是在鋁、鎂、鈦等輕金屬及其合金表面制備陶瓷膜層的一種表面處理方法，它通過(guò)微弧放電形成高溫高壓的等離子體通道，瞬間完成燒結(jié)過(guò)程，在材料表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜[1-2]。這使等離子體電解氧化膜層既具有優(yōu)異的硬度、耐磨、防腐和絕緣性能，又與基體形成了良好的結(jié)合力[3]。通常，等離子體電解氧化膜層的生長(zhǎng)經(jīng)歷以下幾個(gè)過(guò)程：擊穿膜層形成高溫高壓放電通道；基體和氧化物融化；高溫熔融物氧化和噴出；氧化物遇冷凝固重構(gòu)[4]。在此過(guò)程中，膜層表面形成大量尺寸、形態(tài)不一的微孔，且表層膜層疏松多顆粒，所以等離子體電解氧化膜層的形貌表現(xiàn)為疏松多孔。激光重熔（LSM）是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新型表面處理技術(shù)，它利用高能密度的激光束與表層物質(zhì)相互作用，使膜層表面形成熔池，隨之快速擴(kuò)散及凝固，引起材料表面組織結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)和相組成發(fā)生變化，完成表面改性過(guò)程，從而提高材料的耐磨、防腐和抗氧化性能。眾多研究表明，激光重熔有利于消除材料缺陷，改善陶瓷體力學(xué)性能，重熔和再凝固可實(shí)現(xiàn)多孔陶瓷的封孔[5-7]。

1 實(shí)驗(yàn)方法和檢測(cè)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)樣件采用6063鋁合金材料，其成分見表1，尺寸為30 mm×15 mm×4 mm。樣件經(jīng)砂紙打磨后，先后在清水和酒精中清洗，然后烘干。將樣件置于NaAlO2-KOH體系的工作液中，在正向電流密度

為10 A/dm2和負(fù)向電流密度為4 A/dm2的脈沖電流作用下進(jìn)行等離子體電解氧化處理，40 min后得到PEO膜層。再將PEO膜層樣件清洗、烘干后，置于帶有三軸數(shù)控系統(tǒng)的激光工作臺(tái)上進(jìn)行重熔處理。

表1 6063鋁合金成分構(gòu)成

激光器型號(hào)為L(zhǎng)UMONICS JK700，選取的激光重熔參數(shù)如下：焦點(diǎn)至膜層表面距離為12～15 mm，激光功率為23～31 W，掃描速度為2～6 mm/s，激光掃描重疊率為50%。采用SIRION掃描電子顯微鏡（SEM）和超景深光學(xué)顯微鏡分析等離子體電解氧化膜層重熔前后的微觀形貌，采用DUH-W201S型超顯微硬度計(jì)測(cè)量膜層表面硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 等離子體電解氧化膜層激光重熔過(guò)程的等離子體現(xiàn)象

在激光束照射等離子體電解氧化膜層的光斑內(nèi)，大量紅色或白色的小火花均勻分布于膜層表面，且光斑的光強(qiáng)隨著能量密度的增加而增加，偶爾伴隨著輕微的爆破聲。如圖1所示，隨著激光能量密度逐漸增強(qiáng)，激光光斑顏色逐漸由暗變白。等離子體電解氧化膜層在激光能量輻射作用下，部分氧化物被液化或氣化，甚至離化，在光斑內(nèi)形成能強(qiáng)烈吸收激光能量的等離子體。在激光束低能量密度條件下形成的光斑為弱等離子體（圖1a）；在高能量密度下形成的光斑為強(qiáng)等離子體（圖1e、圖1f）；在合理的能量密度下形成的光斑為正常等離子體（圖1b～圖1d）。

圖1 不同激光能量密度下的等離子體電解氧化膜層光斑處的等離子體形態(tài)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在膜層重熔過(guò)程中，弱等離子體對(duì)膜層重熔效果不明顯，表現(xiàn)為重熔不均勻和重熔層??；強(qiáng)等離子體對(duì)膜層具有破壞性，表現(xiàn)為膜層的燒蝕和崩落。因此，為了使膜層具有較好的重熔效果，應(yīng)合理設(shè)置激光功率、焦距和掃描速度，使光斑內(nèi)多為正常等離子體。

2.2 等離子體電解氧化膜層激光重熔工藝特征

等離子體電解氧化膜層的激光重熔過(guò)程中，隨著等離子體和膜層熔池的形成，激光束與膜層表面完成能量交換。為了獲得較好的重熔效果，激光能量交換過(guò)程中應(yīng)滿足如下條件：①激光輻射下，在膜層表面形成的高溫點(diǎn)能量充足，至少能融化基體氧化物、電解液溶質(zhì)生成的氧化物或膜層雜質(zhì)三者之一，從而形成微小熔池；② 激光光斑駐留時(shí)間足以使離散的小熔池生長(zhǎng)成連續(xù)的重熔層；③光斑能量密度不宜過(guò)高或過(guò)低，形成強(qiáng)或弱的等離子體，且光斑駐留時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，破壞等離子體電解氧化膜層與基體的結(jié)合力。

光斑內(nèi)達(dá)到熱平衡后的高溫點(diǎn)溫度值由激光功率和焦距決定，光斑駐留時(shí)間由掃描速度決定。為了滿足上述3個(gè)條件，激光重熔的功率、焦距和掃描速度應(yīng)合理配置，使光斑內(nèi)為正常等離子體，從而形成較好的膜層表面形貌（圖2a）。若在膜層表面形成強(qiáng)等離子體，將使膜層崩落，露出金屬基體，破壞膜層性能（圖2b）。

圖2 等離子體電解氧化膜層在不同等離子體作用下的重熔效果

2.3 等離子體電解氧化膜層對(duì)后續(xù)激光重熔工藝的影響

激光束將能量輸入至多孔等離子體電解氧化

膜層表面后，膜層表面氧化物被快速重熔和凝固。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)等離子體電解氧化膜層表面形貌、厚度、顏色和組成會(huì)對(duì)后續(xù)激光重熔產(chǎn)生影響。膜層表面微孔尺寸較小、數(shù)量多的形貌較易形成均勻連續(xù)的重熔層；膜層厚度較小時(shí)，易引起膜層崩落，同時(shí)破壞膜層結(jié)合力；在膜層顏色方面，棕色和黑色等深色膜層較白色膜層對(duì)激光的吸收性能好，所需激光功率閾值低，有利于膜層的均勻重熔；在等離子體電解氧化膜層中含有較基體氧化物（Al2O3、MgO、TiO2）熔點(diǎn)低的物質(zhì)，在低溫光斑內(nèi)更易形成等離子體和熔池，有利于降低激光重熔的溫度閾值，如：在硅酸鹽體系中制備的等離子體電解氧化膜層比在鋁酸鹽中制備的具有更低的激光重熔功率閾值，此為硅酸根離子進(jìn)入放電通道后，形成了較低熔點(diǎn)的SiO2。因此，在等離子體電解氧化膜層的激光重熔改性過(guò)程中，需要考慮合理的工藝銜接性。

2.4 激光重熔改性等離子體電解氧化膜層的效果

圖3是等離子體電解氧化膜層重熔前后的截面形貌。圖3a所示的等離子體電解氧化膜層外層多孔和裂紋，經(jīng)激光重熔后，膜層孔隙率降低，尤其是直徑較大的孔隙數(shù)目降低，致密性得到改善（圖3b）。同時(shí)，膜層的平均硬度值也由激光重熔前的592 HV變?yōu)?285 HV，膜層硬度得到明顯改善，有助于增強(qiáng)其耐磨性能。程中，合理的激光工藝和等離子體電解氧化工藝對(duì)最終形成的膜層性能都有重要的影響。

（1）激光功率、焦距、掃描速度等參數(shù)需合理配置，使等離子體電解氧化膜層表面的激光光斑內(nèi)形成正常等離子體。

（2）制備的等離子體電解氧化膜層應(yīng)盡可能適應(yīng)激光重熔工藝，微孔尺寸較小、數(shù)量多、厚度合適、顏色較深、含有低熔點(diǎn)物質(zhì)的等離子體電解氧化膜層具有較好的可重熔性。

（3）重熔后的等離子體電解氧化膜層具有較致密的形貌和較高的硬度。

圖3 等離子體電解氧化膜層激光重熔前后的截面形貌

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3 結(jié)論

在等離子體電解氧化膜層的激光重熔改性過(guò)

Aluminum Alloy Surface-Ceramic Technology Based on Plasma Electrolytic Oxidation and Laser Melting and Solidification

Yu Jie，Di Shichun，Yang Junjie，Wang Yan
（Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China ）

A compound technology of plasma electrolytic oxidation (PEO)and laser melting and solidification (LSM)technologies which could produce a ceramic coating on the aluminum surface was introduced.The plasma phenomenon during the LSM and PEO coatings interactions produced by three different kinds of plasma were analyzed.The relationship between PEO and LSM process in the compound technology was further demonstrated.The measuring results of SEM and ultra micro hardness tester proved that the porosity factor of the ceramic coating was lowered while the density and hardness were promoted by LSM.

plasma electrolytic oxidation；laser melting and solidification；aluminum alloy；plasma

TG178

A

1009－279X（2014）02－0057-03

2013-11-02

喻杰，男，1986年生，博士研究生。