7075鋁合金在硼酸鈉溶液體系的微弧氧化涂層性能表征*

黃科里，陳興馳，肖曉玲，張吉阜

1.廣東省新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實驗室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510650；2.廣東省工業(yè)分析檢測中心，廣東 廣州 510650

鋁合金是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的有色金屬材料之一，已在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域中大量應(yīng)用．7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，具有強度高、機械性能良好、抗腐蝕性能及抗氧化性能好等特點，但其表面硬度較低，顯微硬度通常只有170 Hv0.1，難以滿足高強度、高耐磨性使用工況的要求.對其表面進行強化處理，提高表面硬度、增加耐磨性是非常必要的．一般采用表面噴涂、激光表面強化等技術(shù)，提高7075鋁合金表面性能，達到抗磨損的效果．

鋁合金作為一種閥金屬，其表面形成的氧化膜非常致密，人們也常常通過陽極氧化技術(shù)在其表面制備氧化物涂層，以提高其耐磨性．但是，通常陽極氧化制備的氧化涂層只有幾個微米厚，而且比較疏松，遠沒有達到工業(yè)應(yīng)用要求．微弧氧化(MAO)技術(shù)就是在陽極氧化[1]技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加電壓和電流，通過電解液與相應(yīng)電參數(shù)的組合，依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬間高溫高壓，在鋁、鎂、鈦等合金表面生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷涂層的技術(shù).微弧氧化獲得的氧化涂層更加致密堅硬，具有廣闊的應(yīng)用前景．

本研究以四硼酸鈉為主的輔以其它添加劑的水溶液作為電解液，采用微弧氧化技術(shù)對7075鋁合金表面進行處理，對不同時間微弧氧化處理后的氧化涂層的組織和性能進行了研究，為7075鋁合金的表面處理工程化應(yīng)用提供依據(jù)．

1 試驗部分

1.1 基體預(yù)處理

試驗材料為7075超高強度鋁合金，其化學(xué)成分列于表1．首先將試樣加工成直徑25 mm×5 mm的圓塊，側(cè)面攻M3×6 mm的螺孔，經(jīng)400和800號砂紙打磨后，除油，清洗，烘干．然后通過鋁導(dǎo)線將試樣懸掛在制備好的電解液中，以備進行微弧氧化處理．

表1 7075鋁合金化學(xué)成分Table 1 The composition of 7075 Al alloy

1.2 鋁合金氧化涂層的制備

用WHD-60型微弧氧化設(shè)備對試樣進行微弧氧化處理，外加冷卻和攪拌裝置，電流密度5～50 A/dm2，電壓在410～480 V之間變化，氧化槽溫度控制60 ℃以下．電解液是以四硼酸鈉(濃度為10 g/L)為主的堿性水溶液，其中加入3 g/L的氫氧化鈉、6 g/L的硅酸鈉、4 g/L的乙二胺四乙酸二鈉，氧化時間分別為30，45，60 min．

1.3 測試方法

用JSM-5910型掃描電鏡(SEM，配有X-射線能譜儀(EDS))對試件進行表面形貌觀察和微區(qū)元素定性分析，加速電壓20 kV；用D8 Advance型X射線衍射儀分析陶瓷涂層的相成分，測試條件為Cu Kα輻射，小角度衍射，ω=1 °，掃描速度1.5秒/步，步長為0.04 °；用MH-5D顯微硬度計測量涂層的截面硬度，載荷100 g，加載時間15 s．

2 結(jié)果與討論

2.1 微弧氧化涂層的形貌及成分

將7075鋁合金在硼酸鹽體系的電解液中進行不同時間的微弧氧化，其表面形貌如圖1所示．從圖1可見，試樣表面有云狀堆積物，而且沒有剝落現(xiàn)象，堆積物中出現(xiàn)無規(guī)則的孔洞，孔洞大小約為3～5 μm．堆積物的形成說明在硼酸鹽體系的電解液中進行微弧氧化處理形成了氧化涂層，孔洞的出現(xiàn)是由于微弧氧化過程所引起的，微弧氧化過程是放電-形成氧化涂層-電壓擊穿熔化-溶液冷卻凝固的反復(fù)循環(huán)的過程．微弧氧化過程中，介電擊穿總是發(fā)生在膜的最薄弱位置[2-3]，放電火花在電解液中也是瞬間出現(xiàn)的，看起來像游動狀態(tài)，經(jīng)過不斷的擊穿-涂層熔化冷卻堆積，涂層厚度不斷增加，表面存在凹凸不平的疏松層．

圖1 不同氧化時間的涂層表面形貌(a)30 min；(b)45 min；(c)60 minFig.1 Surface image of coating，MAO

試樣通過不同時間的微弧氧化，其表面粗糙度列于表2．由表2可知，微弧氧化30和60 min的試樣表面粗糙度約為1.84 μm，而氧化45 min的試樣表面粗糙度為1.95 μm．說明在微弧氧化開始階段(氧化時間<30 min)，氧化涂層生長較慢且放電火花均勻細膩；到了45 min時放電電流較大，放電火花比較粗大，涂層增厚最快，試樣表面粗糙度增大；60 min時隨著涂層增厚，絕緣性增強，電流變小，放電火花又變的細膩，粗糙度降低．

表2微弧氧化涂層厚度和表面粗糙度隨氧化時間的變化
Table2Showingthechangeofthicknessandsurfaceroughnessofceramiclayerwiththeincreasingoxidationtime

氧化時間/min氧化涂層厚度/μm粗糙度/μm3050～551.844562～641.956071～741.85

圖2為不同氧化時間的陶瓷涂層的截面形貌．從圖2可見：陶瓷涂層的厚度隨氧化時間的延長而緩慢增加，氧化30 min時氧化涂層厚度為50 μm，氧化60 min時氧化涂層厚度增加到73 μm；氧化涂層由致密層和疏松層構(gòu)成，經(jīng)測量氧化30～60 min的致密層厚度分別為45，62和70 μm，遠大于疏松層的厚度，約占氧化涂層總厚度的80%以上，并且與基體結(jié)合良好，形成冶金結(jié)合，未見任何缺陷．圖2(c)為氧化60 min時氧化涂層截面線掃描成分分析，結(jié)果顯示：涂層的成分由Al，O，Mg和Zn元素組成，電解液中的B和Si元素沒有出現(xiàn)在涂層中，初步分析這些元素沒有參與氧化涂層的形成．基體材料中Zn元素含量比Mg元素的高，但是涂層中Mg元素含量卻比Zn元素的高，這是在氧化涂層的形成過程中Zn元素的燒損比較嚴重造成的．涂層的主要組成成分為Al和O元素，這也是微弧氧化制備的目標成分．

圖2 陶瓷涂層的截面形貌(a)30 min；(b)45 min；(c)60 min涂層成分分布圖 Fig.2 Cross-sectional image of MAO coating(a) 30 min；(b)45 min；(c)composition profiles of microarc oxidaiton coating，MAO 60 min

2.2 XRD物相測定

圖3 7075鋁合金微弧氧化不同時間涂層的XRD譜線Fig.3 XRD patterns for micro-arc oxidation films with different MAO time

圖3為7075鋁合金微弧氧化涂層的XRD譜線．從圖3可見：衍射峰比較尖銳，說明涂層結(jié)晶化程度較高；涂層主要由γ-Al2O3和α-Al2O3兩相組成，γ-Al2O3相比α-Al2O3相的含量高．這是由于氧化鋁在結(jié)晶的過程中首先生成γ-Al2O3相，在反應(yīng)微區(qū)的高溫作用下，當瞬間溫度高于1200℃時γ相可轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵窃谝后w冷卻的作用下，高溫時間很短，γ相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗟臋C率變??；另外，7075鋁合金中Zn元素的含量超過5%，Zn元素對α-Al2O3相的形成有強烈的阻礙作用[4]，因此α-Al2O3的含量相對較少．由XRD物相分析可知，涂層主要是由Al和O元素組成，與氧化涂層截面線掃描成分分析結(jié)果相吻合．

圖4 7075鋁合金經(jīng)不同微弧氧化時間涂層顯微硬度的變化Fig.4 Hardness variation as a function of microarc oxidation time on 7075 Al alloy

2.3 陶瓷涂層的硬度

圖4為7075鋁合金微弧氧化涂層的平均顯微硬度隨氧化時間不同而變化的情況．從圖4可知，7075鋁合金經(jīng)微弧氧化后，涂層截面的平均顯微硬度隨氧化時間的延長略有增加，顯微硬度(Hv0.1)值在1250～1300之間變化，當氧化時間達到60 min時，涂層截面平均顯微硬度Hv0.1最大為1291．基體7075鋁合金的顯微硬度Hv0.1約為170，可見7075鋁合金經(jīng)微弧氧化后，涂層硬度遠高于基體硬度．

3 結(jié) 論

7075鋁合金在硼酸鹽體系的電解液中經(jīng)不同時間微弧氧化后，對其涂層的表面形貌、物相構(gòu)成、顯微硬度進行了研究，得出如下結(jié)論：

(1)微弧氧化涂層由疏松層、致密層組成，致密層占涂層總厚度的80%以上，且與基體結(jié)合較好；不同微弧氧化時間的氧化涂層的粗糙度變化不大，當氧化時間45 min時涂層的粗糙度值最高．

(2)氧化涂層主要由γ-Al2O3和α-Al2O3兩相組成，其中γ-Al2O3相含量較多．

(3)氧化涂層截面的顯微硬度值(Hv0.1)可達1250以上，隨著微弧氧化時間的延長顯微硬度有所增大．

參考文獻：

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