合金化元素對微弧氧化涂層的影響

孫暢 張佳儀 王曦白

摘? 要：微弧氧化涂層由于其工藝設(shè)備簡單，性能優(yōu)良，涂層適應(yīng)性強，對環(huán)境污染小等諸多優(yōu)勢，在機(jī)械制造、家用電器、醫(yī)療器械等各領(lǐng)域，都具有良好的應(yīng)用前景。不同牌號的鋁合金基體，所形成的微弧氧化涂層在外觀、性能上均有差異。文章擬在相同條件下制備LY12、LY16及LD7鋁合金微弧氧化涂層，研究不同的合金化元素（Cu、Mg、Fe）對微弧氧化涂層的生長、電火花現(xiàn)象、組織結(jié)構(gòu)及性能的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：微弧氧化;鋁合金;合金化元素;性能

Abstract： Micro-arc oxidation coating has a good application prospect in mechanical manufacturing， household appliances， medical devices and other fields because of its simple equipment， excellent performance， strong adaptability， low environmental pollution and many other advantages. The micro-arc oxidation coatings formed by different grades of aluminum alloy substrates are different in appearance and properties. In this paper， LY12， LY16 and LD7 aluminum alloy micro-arc oxidation coatings were prepared under the same conditions， and the effects of different alloying elements （Cu， Mg， Fe） on the growth， spark phenomenon， microstructure and properties of micro-arc oxidation coatings were studied.

1 試驗準(zhǔn)備

試驗采用牌號為LY12、LY16、LD7的三種鋁合金，其成分如表1所示。制備成尺寸為12mm×12mm×3mm的方形試片，在試樣邊緣打1個直接約2mm的小孔，用于鋁絲裝掛;試片表面打磨光滑，不能有尖邊。

2 工藝試驗

2.1 微弧氧化工藝電解液及工藝參數(shù)的選擇

本文主要研究LY12、LY16及LD7鋁合金在相同微弧氧化槽液成份、相同工藝參數(shù)下，制備微弧氧化涂層，根據(jù)涂層展現(xiàn)出的差異，研究合金化元素對涂層的影響。因此實驗選用成熟的工藝路線及槽液組成。本實驗中選用的槽液成份主要為：硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O）、四硼酸鈉（Na2B4O7·10H2O）、鋁酸鈉（NaAlSO3）、氫氧化鉀（KOH）。其中硅酸鈉起主成膜劑作用，氫氧化鉀主要用于調(diào)節(jié)pH值。

工藝參數(shù)主要考慮電壓、頻率、占空比和氧化時間四個電參數(shù)，本文選用固定的電參數(shù)數(shù)值，即電壓550V，氧化時間30min，占空比8%，頻率800Hz。

微弧氧化工藝的主要流程：除油→冷水洗→微弧氧化→冷水洗→干燥

2.2 LY12、LY16及LD7三種鋁合金微弧氧化涂層的制備

在已知電解液、工藝參數(shù)及工藝流程條件下制備LY12、LY16及LD7三種鋁合金微弧氧化涂層。記錄三種合金微弧氧化過程中電火花現(xiàn)象、涂層表面質(zhì)量及涂層厚度，并對三種涂層進(jìn)行耐蝕性測試，總結(jié)不同鋁合金微弧氧化涂層的差異，研究合金化元素（Cu、Mg、Fe）對涂層的影響差異。

2.2.1 電火花現(xiàn)象

在試件放入電解池溶液時，試片周圍均有大量的氣泡冒出，而試件表面卻未有電火花現(xiàn)象，表明開始了陽極氧化反應(yīng)階段，但還未到達(dá)起弧階段。

隨著電壓的升高，試件表面產(chǎn)生弧光，并且弧光現(xiàn)象越來越劇烈，同時伴有“噼啪”的放電聲。當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值時，弧光趨于穩(wěn)定。當(dāng)反應(yīng)接近尾聲時，弧光逐漸減弱，直至消失。在三種鋁合金劇烈放電階段時，LY12鋁合金電火花狀態(tài)為橘黃色的星狀火花;LY16鋁合金電火花現(xiàn)象最強烈，火花顏色最深，為極為耀眼的亮紅色光束;LD7鋁合金的電火花相對較柔和，呈現(xiàn)出的亮黃色的弧光。這主要是鋁合金中的銅元素對放電現(xiàn)象產(chǎn)生的影響，銅元素含量越高，電流強度越大，電火花現(xiàn)象越劇烈，火花顏色也越深。

2.2.2 涂層的表面質(zhì)量及厚度增長情況

三種鋁合金微弧氧化后的表面狀態(tài)如圖3所示。三種鋁合金的微弧氧化涂層均光滑致密連續(xù)，無凸起或麻點現(xiàn)象，但顏色有所不同。LY12鋁合金的微弧氧化涂層顏色為深灰色，LY16鋁合金為紅褐色，LD7鋁合金為淺灰色。采用渦流測厚儀對涂層厚度進(jìn)行測量，相同參數(shù)下，LY12鋁合金涂層厚度為14μm，LY16鋁合金涂層厚度為9μm，LD7鋁合金涂層厚度為16μm。

2.2.3 涂層的表面形貌及組織成分

圖1為三種鋁合金微弧氧化涂層的表面形貌，從圖中可以看出LY12鋁合金的微弧氧化涂層表面形貌最為規(guī)則，孔隙率小，微孔尺寸小而均勻，LD7鋁合金次之，而LY16鋁合金微弧氧化涂層表面微孔尺寸大小不一，最為不規(guī)則。

利用X射線衍射儀對三種涂層成份進(jìn)行物相分析，三種合金微弧氧化涂層的主要成分均為合金中的鋁元素和空氣中的氧元素;其次是電解液中的硅元素;其余為合金化元素及電解液中的其他元素。

合金化元素存在于涂層中說明合金化元素會參與微弧氧化反應(yīng)，并且其在合金中的含量直接決定了在涂層中的含量，二者為正向關(guān)系。因此合金化元素及其含量將對涂層外觀及性能起著重要作用。

2.2.4 涂層的耐蝕性能

LY12、LY16及LD7鋁合金試件經(jīng)過1000小時中性鹽霧試驗，鹽霧測試700h時，三種涂層表面均未發(fā)生明顯變化，鹽霧測試900h時，LY12鋁合金、LY16鋁合金涂層表面仍未發(fā)生明顯的變化，而LD7鋁合金的涂層表面則出現(xiàn)一個腐蝕點，鹽霧1000h時，LY12鋁合金涂層表面仍未發(fā)生明顯變化，LY16鋁合金涂層出現(xiàn)輕微變色，而LD7鋁合金涂層局部表面已經(jīng)變成黃色，腐蝕點也向周圍擴(kuò)展變大。試驗結(jié)果表明，三種合金中LY12鋁合金涂層的耐蝕性能最好，LY16鋁合金次之，LD7鋁合金耐蝕性最差。由各合金涂層成份可知，LD7鋁合金微弧氧化涂層中含有的Fe元素，是導(dǎo)致涂層腐蝕性能下降的主要因素。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試驗情況可知，不同鋁合金在相同條件下制得的三種鋁合金微弧氧化涂層表面狀態(tài)、組織成份及性能等各有不同，表明合金化元素直接影響微弧氧化涂層的外觀、生長速率、放電程度、涂層結(jié)構(gòu)及涂層性能?？偨Y(jié)如下：

（1）合金中銅元素的存在會增加微弧氧化過程的電流密度，進(jìn)而加劇電火花放電現(xiàn)象;銅元素會降低微弧氧化涂層的生長速率，因此銅含量越高，同等條件下，成膜速度越慢;鋁合金中銅元素含量越高，生成的涂層中銅元素含量越高，進(jìn)而涂層顏色越深。

（2）合金中的鎂元素能夠降低孔洞直徑及孔隙率，使涂層的組織結(jié)構(gòu)更加致密，提高涂層的耐蝕性能?？锥粗睆郊伴g隙比較小，且在涂層的表面分布得比較均勻，涂層表面比較光滑。

（3）合金中鐵元素含量越高，則涂層中的鐵元素含量易越高，對應(yīng)涂層的耐腐蝕性能將下降。

在鋁合金微弧氧化實際應(yīng)用中，可根據(jù)不同鋁合金中合金化元素的影響，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)及添加改性劑，以獲得理想的微弧氧化涂層。

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