微弧氧化涂層的結(jié)構(gòu)與性能表征方法綜述

邵清瑩

摘? 要：近年來，各行各業(yè)都在高速發(fā)展，對于金屬的使用也在不斷增多，同時工業(yè)生產(chǎn)對于輕量化生產(chǎn)的呼聲越來越高，因此提高輕質(zhì)合金的性能尤為重要。微弧氧化技術(shù)可以顯著的提高輕質(zhì)合金的耐磨、耐腐蝕性能，且因為涂層質(zhì)量好以及對環(huán)境的污染小受到了的廣泛的應(yīng)用。為迎合市場需求，加快微弧氧化技術(shù)的研究步伐，對微弧氧化涂層進(jìn)行相應(yīng)的檢測分析是極其必要的。本文主要介紹了對微弧氧化涂層厚度、粗糙度、表面微觀結(jié)構(gòu)、晶相、耐磨、耐腐蝕等的檢測分析手段，保證了微弧氧化涂層的結(jié)構(gòu)與性能可以極大化的適應(yīng)各種應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：微弧氧化;輕質(zhì)合金;結(jié)構(gòu)與性能;檢測

引言

微弧氧化技術(shù)是在陽極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型表面處理技術(shù)，又稱其為等離子體電解氧化[1]。是將鋁、鎂、鈦等輕金屬合金放置于適當(dāng)?shù)碾娊庖褐校ㄟ^外界電源對其施加高壓，使金屬表面產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，通過擊穿基材表面的微孔使其熔融后迅速冷卻凝固從而原位生成陶瓷膜層。通過微弧氧化生長出來的陶瓷膜層與基材結(jié)合力好，致密性高，從而可以極大地改善鋁及其合金的耐磨，耐腐蝕性能，因此在航空、航天、船舶、機械、裝飾、電子等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹在實際應(yīng)用中微弧氧化涂層結(jié)構(gòu)和性能的表征與分析方法，從而為實際生產(chǎn)中檢測涂層性能是否滿足要求提供參考。

1 微弧氧化概述

輕金屬合金的微弧氧化主要是將Al、Mg、Ti等輕金屬及其合金放入電解液中，通電后在金屬表面形成等離子體放電，在熱化學(xué)，電化學(xué)以及等離子體化學(xué)的共同作用下，原位生長出氧化陶瓷膜層。可以根據(jù)不同需求，通過控制電流密度，電解液的成分及濃度，氧化時間等來生成不同的微弧氧化膜層。鋁及其鋁合金的微弧氧化是讓電壓突破了傳統(tǒng)陽極氧化的法拉第工作電壓區(qū)間，進(jìn)入到高壓放電區(qū)域，在基體上產(chǎn)生微弧等離子體放放電，原位生長出一層氧化鋁薄膜[2]。

微弧氧化的裝置較為簡單，并不需要專門的清洗設(shè)備，冷卻循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)也簡單圖1是微弧氧化設(shè)備及工藝的簡圖。

1-脈沖電源;2-鋁合金工件;3-電解液;4-不銹鋼槽，接電源負(fù)極;5-循環(huán)冷水機

2 微弧氧化涂層結(jié)構(gòu)與性能檢測方法

2.1 涂層厚度測量

微弧氧化制備的涂層主要成分是金屬氧化物陶瓷層，不具備導(dǎo)電性，因此在測厚儀的選擇上也比較受限，目前常見的測厚法大致分為：磁性測厚法、渦流測厚法、超聲波測厚法等，微弧氧化涂層測厚一般選擇渦流測厚儀。其原理是：其測量原理是待電流通過時高頻交流信號在探頭線圈中產(chǎn)生電磁場，探頭靠近被測導(dǎo)體時導(dǎo)體中就會產(chǎn)生渦流，探頭與導(dǎo)體相距越近，則渦流相應(yīng)的就越大，反射阻抗也就越大，也就表明了探頭與導(dǎo)電基體間距離的越大，也就是導(dǎo)電基體上微弧氧化陶瓷層厚度也越大[3]。測量前，先在未進(jìn)行微弧氧化處理的干凈預(yù)處理試樣上進(jìn)行校零操作，然后將測厚儀的探頭垂直與試樣表面接觸，讀數(shù)即為微弧氧化陶瓷涂層的厚度。注意：測量過程中需要保持試樣處于水平狀態(tài)，測厚儀的探頭要與試樣表面垂直。為了盡可能地減少測量誤差，在試樣兩面各取10個點，取出最大值和最小值后，取其平均值即可得到試樣表面氧化涂層的厚度。

2.2 涂層表面微觀形貌

微弧氧化陶瓷膜的形成主要是由于在較高的電壓下，會形成一個很強的電場，金屬基體表面的氧化膜被高壓擊穿，從而產(chǎn)生微弧等離子體放電，等離子放電通道內(nèi)的溫度極高，甚至可以達(dá)到8000K，壓力也可以達(dá)到100MPa以上，輕金屬合金的微弧氧化過程極其復(fù)雜，同時存在熱化學(xué)、電化學(xué)、等離子化學(xué)等反應(yīng)，而放電通道也最終由于高溫?zé)Y(jié)的作用被封閉了，與此同時，合金表面生成了陶瓷結(jié)構(gòu)的金屬氧化物膜層。由于微弧放電現(xiàn)象貫穿在合金基體的微弧氧化全過程，這樣必然會在基材表面留下大量的放電產(chǎn)物[4]。因此，通過掃描電子顯微鏡探究微弧氧化涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究微弧氧化的放電機理極其重要。

掃描電子顯微鏡（英語：Scanning Electron Microscope，縮寫為SEM），簡稱掃描電鏡，是一種電子顯微鏡，通過聚焦電子束掃描樣品的表面來產(chǎn)生樣品表面的圖像。電子與樣品中的原子相互作用，產(chǎn)生包含關(guān)于樣品的表面測繪學(xué)形貌和組成的信息的各種信號。電子束通常以光柵掃描圖案掃描，并且光束的位置與檢測到的信號組合以產(chǎn)生圖像。掃描電子顯微鏡可以實現(xiàn)分辨率優(yōu)于1納米。樣品可以在高真空，低真空，濕條件（用環(huán)境掃描電子顯微鏡）以及寬范圍的低溫或高溫下觀察到。

采用掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscopy，SEM）對樣品的微觀形貌進(jìn)行檢測。檢測前，需將試樣切割成適當(dāng)尺寸，以方便放在樣品臺上進(jìn)行檢測。然后將試樣放至無水乙醇中，在超聲清洗機中超聲清洗5min，取出后吹干待檢測。由于試樣表面的氧化涂層不導(dǎo)電，所以需要先對試樣進(jìn)行噴金處理（噴金層厚度大概在10nm左右即可），用導(dǎo)電膠連接樣品臺與所需觀察的樣品表面，保證所觀測試樣表面導(dǎo)電，之后放入掃描電子顯微鏡中觀察其微觀形貌。

2.3 微弧氧化涂層的相組成

微弧氧化涂層的相組成會極大的影響涂層的耐磨、耐腐蝕性能，通過分析微弧氧化涂層的相組成可以有效的研究微弧氧化涂層的生長機理，從而對提高微弧氧化涂層的相關(guān)性能起到導(dǎo)向性作用[5]。

X射線衍射儀（X-ray diffractometer，XRD）是利用X射線衍射原理研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種大型分析儀器。令一束X射線和樣品交互，用生成的衍射圖譜來分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)。它是在X射線晶體學(xué)領(lǐng)域中在原子尺度范圍內(nèi)研究材料結(jié)構(gòu)的主要儀器，也可用于研究非晶體。

2.4 涂層表面粗糙度檢測

使用表面粗糙度檢測儀對微弧氧化陶瓷涂層表面的粗糙度進(jìn)行檢測，目前常用的粗糙度檢測方法有：干涉法、針描法、比較法、光切法。干涉法是利用光波干涉原理來測量表面粗糙度。針描法的檢測原理是利用觸針垂直上下劃過起伏輪廓的樣品表面，由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸針將在垂直于被測輪廓表面方向上產(chǎn)生上下移動，同時，通過電子裝置將這些信號放大，可得到劃過表面的粗糙度值，精確度可達(dá)到0.001μm。比較法一般為車間最常用的方法，由于測量精度太低，實驗室中并不常用。光切法則是利用"光切原理"來測量表面粗糙度。測量工件表面粗糙度時，將傳感器放在工件被測表面上，由儀器內(nèi)部的驅(qū)動機構(gòu)帶動傳感器沿被測表面做等速滑行，傳感器通過內(nèi)置的銳利觸針感受被測表面的粗糙度，此時工件被測表面的粗糙度引起觸針產(chǎn)生位移，該位移使傳感器電感線圈的電感量發(fā)生變化，從而在相敏整流器的輸出端產(chǎn)生與被測表面粗糙度成比例的模擬信號，該信號經(jīng)過放大及電平轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，DSP芯片將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和參數(shù)計算，測量結(jié)果在液晶顯示器上讀出，也可在打印機上輸出，還可以與PC機進(jìn)行通訊。因此，可以根據(jù)需求選擇相應(yīng)的粗糙度儀進(jìn)行涂層表面的粗糙度測量。

2.5 涂層的耐磨損性能檢測

眾所周知，鋁、鎂等合金的摩擦性能比較差，并且，隨著機械部件對材料輕量化的要求越來越高，因此提高鋁、鎂等輕金屬合金的耐摩擦性能具有極為重要的研究價值。通過微弧氧化表面處理方法可以在輕金屬合金的表面生成一層氧化物陶瓷層，這種氧化物陶瓷層與基體的結(jié)合較為緊密，從而可以有效的提高輕金屬合金的耐摩損性能。而微弧氧化涂層由外部疏松層和內(nèi)部致密層組成，其組成成分、結(jié)構(gòu)以及所占的比例都會對涂層的磨損性能起到一定的影響，在實際應(yīng)用中，某些在特定環(huán)境下作業(yè)的工件對其耐摩擦磨損性能有著嚴(yán)苛的要求，因此，對微弧氧化制備的涂層進(jìn)行耐摩擦磨損性能的檢測尤為重要[6，7]。

微弧氧化涂層的耐摩擦磨損性能的檢測一般會使用摩擦磨損試驗機。摩擦試驗機的工作原理為：試樣的待磨層與摩擦紙，在荷重摩擦體的作用下，以規(guī)定的速度相互摩擦。通過測量涂層厚度的減少量，來判斷涂層的耐磨性。摩擦試驗機采用微電腦控制、LCD動態(tài)顯示、機電一體化原理，進(jìn)行設(shè)定的摩擦試驗。試驗前將試驗標(biāo)準(zhǔn)要求的、或操作者自定的摩擦次數(shù)輸入控制系統(tǒng)，試驗則可實現(xiàn)自動控制，并在每次試驗結(jié)束后蜂鳴提示?？刂葡到y(tǒng)具有斷電記憶功能，即每次重新上電后，保持上次斷電前輸入的參數(shù)狀態(tài)。執(zhí)行機構(gòu)采用高精度齒輪減速微型電動機驅(qū)動摩擦體進(jìn)行直線往復(fù)摩擦運動。

2.6 涂層的耐腐蝕性能檢測

2.6.1 電化學(xué)檢測

微弧氧化表面處理技術(shù)可以有效的提高輕金屬合金的耐腐蝕性能。通常情況下可以通過測量電化學(xué)極化曲線和電化學(xué)阻抗譜來表征與分析微弧氧化涂層的耐腐蝕性能[8]。電化學(xué)測試通過電化學(xué)工作站來完成，測試中使用標(biāo)準(zhǔn)的三電極體系，樣品為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。電化學(xué)測試腐蝕液選用3.5wt%NaCl溶液，在EIS測試前先將試樣在室溫下浸泡半小時，設(shè)定好擾動振幅及測試頻率范圍。測完EIS后再將試樣浸泡半小時，然后進(jìn)行動電位極化曲線的測試，掃描范圍為開路電位的正負(fù)0.5V，掃描速度為1-10mV/s。每個試樣的電化學(xué)測試至少進(jìn)行三次以保證結(jié)果的重復(fù)性[9]。測試完成后通過分析極化曲線和阻抗譜來判定制備的微弧氧化涂層的耐腐蝕性能。

2.6.2 鹽霧試驗

鹽霧試驗是檢驗微弧氧化涂層耐腐蝕性能的最常使用的方法之一，而鹽霧試驗主要是在鹽霧試驗箱中進(jìn)行。鹽霧試驗箱主要由溫度控制系統(tǒng)、噴霧裝置和鹽液收集裝置等組成;工作方式為通過加壓裝置產(chǎn)生高壓氣體，將高壓氣體通入試驗箱中進(jìn)行加熱。在試驗時，熱空氣通過噴嘴氣孔噴出，同時，噴水口也會噴出鹽水溶液，兩者垂直相交，鹽水溶液在高溫氣體的作用下，短時間內(nèi)氣化成鹽水蒸汽，噴射到空中形成鹽水霧氣后降落在試件的表面上，由計時系統(tǒng)記錄試驗時間，從而對試件進(jìn)行鹽霧試驗。

在實際鹽霧試驗中，不同的產(chǎn)品根據(jù)其使用的場合會有不同的鹽霧試驗時間和方式要求。目前常見的鹽霧試驗時間主要有96h和144h。試驗方式主要有兩種，一是從開始到結(jié)束，樣品一直放在鹽霧箱中;另一種就是采用“鹽霧24h+取出室溫放置24h”兩種方式，其中后者條件更苛刻，可以更好的評價微弧氧化涂層的耐腐蝕性能[10，11]。鹽霧試驗完成后，根據(jù)試驗結(jié)果，對腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行劃分等級，從而判定涂層是否滿足耐腐蝕要求。

3 總結(jié)

總而言之，以上檢測方法對于輕質(zhì)合金微弧氧化涂層的表征與分析具有重要的意義。因此，在實際應(yīng)用中，需要對以上檢測方法進(jìn)行靈活運用以滿足不同場合的應(yīng)用需求，優(yōu)化微弧氧化涂層的結(jié)構(gòu)和性能，使得微弧氧化技術(shù)能得到最大化的推廣運用，從而加快工業(yè)生產(chǎn)輕量化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1] 王磊，宮本奎，韓旭，等.鋁合金微弧氧化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)，2018，8（12）：1083-1087.

[2] 陳巖，薛宏偉，邸建國.鋁合金微弧氧化工藝的研究[J].電鍍與環(huán)保，2018，38（5）：44-45.

[3] 王星宇，馬勝男，蘇琴，等.氧化電流密度對7075鋁合金微弧氧化膜層形貌及性能影響[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，39（5）：312-315.

[4] 花天順，宋仁國，宗玙，等.拉應(yīng)力條件下微弧氧化膜對鋁合金腐蝕及電化學(xué)行為的影響[J].中國表面工程，2019，32（3）：36-48.

[5] 李小晶，文帥，符博洋，等.負(fù)電壓對2A50鋁合金微弧氧化陶瓷層微觀結(jié)構(gòu)和耐磨性能的影響[J].表面技術(shù)，2019，48（7）：135-141.

[6] 夏袁昊.7075鋁合金微弧氧化陶瓷膜摩擦性能[J].廣東化工，2019，46（15）：26-27，76.

[7] 易杰.鹽霧試驗箱的校準(zhǔn)方法[J].計量技術(shù)，2019，（9）：47-50.

[8] 劉婉穎，邱宇洪，劉穎，等.納米TiO2對D16T鋁合金微弧氧化膜耐磨性的影響及機理[J].表面技術(shù)，2019，48（10）：180-189.

[9] 徐新華，董虹星，陳麗英.6063鋁合金表面微弧氧化陶瓷層制備和性能試驗研究[J].輕合金加工技術(shù)，2019，47（9）：32-36.

[10] 黃群，余敏，丁騰飛，等.電解液中的Na2SiO3濃度對2024鋁合金微弧氧化陶瓷膜層組織與耐腐蝕性的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2019，47（9）：37-40，65.

[11] 李向新.7075鋁合金微弧氧化工藝研究[J].化學(xué)工程與裝備，2019，（1）：9-10，15.