鋁合金微弧氧化技術(shù)的研究進(jìn)展

陳姣麗

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441000）

鋁合金的密度較小，且強(qiáng)度較高，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，需要提高鋁合金的硬度、耐磨性以及耐腐蝕性，主要通過對(duì)鋁合金表面進(jìn)行處理方式。其中，微弧氧化技術(shù)具有良好的應(yīng)用效果，微弧氧化技術(shù)以普通陽極氧化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過弧光放電提高和激活在陽極中發(fā)生反應(yīng)，能夠在鋁合金表面形成陶瓷氧化膜，從而能夠提升鋁合金綜合性能。

1 微弧氧化技術(shù)原理分析

1.1 微弧氧化技術(shù)發(fā)展歷程

1930 年初，研究人員將金屬放置在強(qiáng)電場中，發(fā)生了火花放電的現(xiàn)象，研究人員發(fā)現(xiàn)火花對(duì)于金屬氧化膜會(huì)產(chǎn)生一定的破壞作用。經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過火花放電現(xiàn)象能夠在金屬表面形成一層氧化膜，所以該技術(shù)逐漸在鎂合金的防腐處理中應(yīng)用。1970 年后，美國、德國等國家相繼開展該項(xiàng)技術(shù)的研究，對(duì)火花放電的具體原因進(jìn)行分析，并提出了“電子雪崩”的模型，通過該模型對(duì)放電過程中金屬的氧化反應(yīng)進(jìn)行研究，相關(guān)研究人員指出該現(xiàn)象主要發(fā)生在氧化膜最為薄弱的區(qū)域，或最容易被擊穿的區(qū)域，放電過程中所產(chǎn)生的強(qiáng)大熱應(yīng)力是引起“電子雪崩”的主要?jiǎng)恿υ?；研究人員之后提出放電的高能電子來自進(jìn)入氧化膜中的電解質(zhì)，并提出了“火花沉積”模型，由此微弧氧化技術(shù)被全面應(yīng)用于有色金屬性能強(qiáng)化中。

1.2 微弧氧化技術(shù)原理分析

將金屬放入到電解質(zhì)溶液中，其表面能夠生成一層較薄的金屬氧化物絕緣膜；當(dāng)電壓從普通的陽極氧化法拉第區(qū)域進(jìn)入高壓放電區(qū)域后，當(dāng)超過臨界值時(shí)，絕緣膜中的一些薄弱環(huán)節(jié)就會(huì)被擊穿，金屬表面就會(huì)產(chǎn)生密度較高的火花放電；在微弧氧化繼續(xù)的過程中，金屬表面的游動(dòng)弧斑會(huì)不斷變大，且弧斑數(shù)量不斷較少，跳躍的頻率會(huì)不斷降低，直到弧光完全消失；但是因?yàn)閾舸┲饕l(fā)生在養(yǎng)護(hù)膜的薄弱區(qū)域，在被擊穿后該區(qū)域會(huì)生成新的氧化膜，薄弱區(qū)域就會(huì)轉(zhuǎn)移到其他區(qū)域，從而形成均勻的氧化膜。由此可見，微弧氧化的過程為：擊穿→熔化→覆蓋→熄弧→凝固→反復(fù)擊穿。

在微弧氧化技術(shù)應(yīng)用過程中，通過微弧區(qū)域瞬間產(chǎn)生的高溫?zé)Y(jié)作用，能夠在鋁、鎂等有色金屬表面形成陶瓷膜，具有電暈、火花以及微弧等多種不同放電形式。微弧氧化的過程一般可以分為陽極氧化、火花放電、等離子體微弧氧化以及熄弧等四個(gè)不同階段[1]。例如，將微弧氧化技術(shù)應(yīng)用在6068 鋁合金時(shí)，在不同的電流密度下，電位會(huì)隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生變化，在不同電流密度下微弧氧化的過程存在很大差異；部分研究人員通過散射光譜學(xué)以及快速成像工藝，對(duì)鋁、氧等光散射強(qiáng)度和時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)在陽極氧化階段中沒有鋁的散射強(qiáng)度，在經(jīng)過一段時(shí)間后，樣本表面會(huì)出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象，鋁散射線突然開始提高，之后呈現(xiàn)出指數(shù)降低的現(xiàn)象，鋁綜合性能得到充分強(qiáng)化。

微弧氧化工藝近些年來發(fā)展速度較快，受到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的影響，微弧氧化工藝在鋁合金材料中的應(yīng)用，能夠有效提高鋁合金材料各項(xiàng)性能，使得鋁合金材料能夠適應(yīng)多種高耐磨、高腐蝕性的應(yīng)用場景。

2 微弧氧化技術(shù)的主要影響因素分析

2.1 電解液配方影響因素分析

通常所采用的微弧氧化電解液包括酸性和堿性兩種不同類型，酸性電解液會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的危害，所以應(yīng)用逐漸減少。微弧氧化膜在堿性電解液中會(huì)有少部分被其溶解，所以一般采用弱堿性電解液。電解液配方對(duì)于微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用效果會(huì)產(chǎn)生很大影響，電解液中的一些成分會(huì)參與微弧氧化形成過程，從而對(duì)陶瓷膜的性能產(chǎn)生直接影響?，F(xiàn)階段，鋁合金微弧氧化技術(shù)中所采用的電解液主要為硅酸鈉溶液和偏鋁酸鈉溶液，在部分實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，隨著偏鋁酸鈉溶液逐漸增加，微弧氧化膜的厚度、硬度會(huì)有一定提升，但是偏鋁酸鈉溶液超過一定濃度后就不會(huì)形成氧化膜[2]。由此可見，電解液配方對(duì)于微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用效果會(huì)產(chǎn)生直接影響，所以為了提高鋁合金微弧氧化膜綜合性能，必須做好電解液配方處理。

2.2 電源影響因素分析

首先，微弧氧化技術(shù)最早采用直流電源的形式，但是因?yàn)橹绷麟娫磳?duì)于鋁合金表面的放電特征控制效果較差，難以對(duì)其應(yīng)用過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，所以微弧氧化膜會(huì)因?yàn)殡娏髅芏冗^大而出現(xiàn)局部破損的問題，因此該電源逐漸被取代，只應(yīng)用在較為簡單或?qū)|(zhì)量要求不高的鋁合金工件制備中。

其次，在單脈沖電源應(yīng)用中，因?yàn)槊}沖電壓和電流具有“針尖”作用，能夠使微弧氧化膜表面的微孔出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象，從而能夠降低微弧氧化膜粗糙度，使其厚度更加均勻，所以單脈沖電源逐漸取得應(yīng)用，在占空比逐漸增加的情況下，微弧氧化膜的結(jié)合力會(huì)明顯提高，微弧氧化膜與鋁合金的分離面從致密層不斷向疏松層轉(zhuǎn)移[3]。

最后，在雙脈沖電源的應(yīng)用中，疊加負(fù)脈沖的交流電源應(yīng)用成本較低，能夠降低疏松層在整體膜層中的厚度，為此鋁合金交流微弧氧化技術(shù)是當(dāng)前該項(xiàng)技術(shù)的主要發(fā)展方向。在具體的實(shí)驗(yàn)研究中，通過0.3A/dm2電流密度的交流電源，在7050 鋁合金中得到厚度為100μm 的微弧氧化膜，疏松層僅僅占據(jù)膜層整體5%左右，致密層的占比能夠達(dá)到80%左右，從而能夠全面提升微弧氧化膜硬度。

2.3 基體材料的影響分析

鋁合金基體的合金成分對(duì)于微弧氧化工藝生產(chǎn)的陶瓷膜性能具有直接影響，在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，將硬鋁、鍛鋁、純鋁以及鑄造鋁合金進(jìn)行微弧氧化處理，發(fā)現(xiàn)不同基體材料所形成的陶瓷氧化膜具有一定差異，其中硬鋁的陶瓷氧化膜綜合性能最好；在鑄造鋁合金微弧氧化過程中，基體材料中含有的Mg 能夠促進(jìn)微弧氧化，Si 則會(huì)對(duì)微弧氧化產(chǎn)生阻礙，尤其是在高硅鑄造鋁合金中，隨著Si 含量增加，合金中的Si 相數(shù)量會(huì)隨之而提升，會(huì)對(duì)微弧氧化工藝效果造成很大影響；如果增加鑄造鋁合金中的銅含量，則維護(hù)氧化膜的厚度、硬度等性能能夠得到明顯提升。由此可見，基體材料對(duì)于微弧氧化工藝具有直接影響，所以在采用微弧氧化對(duì)鋁合金進(jìn)行處理時(shí)，需要準(zhǔn)確分析鋁合金基體材料的屬性。

3 鋁合金微弧氧化膜性能分析

微弧氧化陶瓷膜通常由致密內(nèi)層和疏松外層構(gòu)成，致密層是其性能提高的主要工作層，通常由α-Al2O3相和γ-Al2O3相構(gòu)成，從外層到內(nèi)層α-Al2O3相逐漸增加，γ-Al2O3相逐漸減少，α-Al2O3是氧化鋁的高溫穩(wěn)定相，所以鋁合金陶瓷氧化膜的綜合性能大幅度提升。

3.1 微弧氧化膜的硬度與耐磨性性能分析

鋁合金微弧氧化會(huì)生成氧化鋁陶瓷膜，且膜主要成分為α-Al2O3和γ-Al2O3，α-Al2O3為剛玉和金剛石成分，所以能夠提高鋁合金硬度。因?yàn)殇X合金微弧氧化膜的外層主要為疏松層，內(nèi)層主要為致密層，不同層的成分和微觀結(jié)構(gòu)存在差異，所以會(huì)對(duì)微弧氧化膜的耐磨性和硬度性能產(chǎn)生直接的影響。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致微弧氧化膜硬度降低的主要原因是因?yàn)棣?Al2O3相的含量降低；在相關(guān)對(duì)比試驗(yàn)中，微弧氧化所形成的膜層硬度在距離膜基層面10μm 處為1800HV，相比于其他鋁合金處理工藝而言，硬度和耐磨性能更好。主要是因?yàn)槲⒒⊙趸け韺虞^為疏松，所以初始模量最大，耐磨性能逐漸提高。同時(shí)，在相關(guān)試驗(yàn)中，采用以磷酸為主的電解液，并向其中加入不同濃度的鎢酸鈉，當(dāng)鎢酸鈉溶液濃度為7g/L 時(shí)，鋁合金陶瓷膜質(zhì)地光滑緊密，耐磨性能得到很大提升。此外，在部分實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，2024 鋁合金的微弧氧化膜在干摩擦和油脂潤滑不同條件下，油脂潤滑條件下的磨損性能會(huì)降低90%以上，磨損量能夠降低99.9%，說明微弧氧化在具有油脂的條件下其耐磨性能會(huì)得到顯著提升。

3.2 微弧氧化膜的彎曲、拉伸以及疲勞性能分析

因?yàn)槲⒒⊙趸さ挠捕群蛷椥阅Ａ肯啾扔阡X合金基體更高，在和鋁合金基體冶金結(jié)合后，對(duì)于鋁合金的拉伸性能影響不夠顯著。在一些實(shí)驗(yàn)研究中，2024鋁合金在經(jīng)過微弧氧化技術(shù)處理后，相比于沒有經(jīng)過處理的鋁合金基體，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著膜厚的增加而降低，但是降低量始終在5%之內(nèi)；部分實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，微弧氧化膜能夠有效提升鋁合金抗彎曲能力，在跨距設(shè)定為50mm 的條件下，120μm 厚度的微弧氧化膜能夠使得鋁合金的彎曲應(yīng)力提高50%以上，上層微弧氧化膜在撓度設(shè)定為6mm 時(shí)會(huì)發(fā)生破裂現(xiàn)象，但是下層微弧氧化膜在撓度超過20mm 后雖然會(huì)出現(xiàn)裂紋，但是不會(huì)直接脫落。

微弧氧化膜對(duì)于鋁合金疲勞性能的影響是主要研究內(nèi)容，會(huì)受到微弧氧化膜的內(nèi)應(yīng)力、厚度以及微觀結(jié)構(gòu)等因素影響，通過微弧氧化膜改善鋁合金的疲勞性能具有重要意義，但是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展受到很大阻礙。在部分研究中發(fā)現(xiàn)，Al-Mg-Si 合金在經(jīng)過微弧氧化技術(shù)處理后，其基礎(chǔ)材料和拋光后的平面彎曲疲勞微弧氧化膜厚度為40μm，微動(dòng)疲勞微弧氧化膜厚度為100μm，在160Mpa 平面彎曲疲勞的循環(huán)次數(shù)為2×104、2×105以及1.1×106。微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微弧氧化膜厚度為40μm 的鋁合金和沒有經(jīng)過處理的鋁合金材料具有相似的疲勞極限，微弧氧化膜厚度為100μm 的鋁合金與40μm 的鋁合金相比，疲勞極限有所降低。

3.3 鋁合金微弧氧化陶瓷膜的熱學(xué)性能分析

鋁合金在經(jīng)過微弧氧化工藝處理后，所形成的陶瓷膜具有特定組織結(jié)構(gòu)，從而能夠提高鋁合金材料耐熱性以及耐熱沖擊性能。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，300μm 厚度的陶瓷膜在101.325kPa 壓力下能夠承受超過3000℃的高溫，在10132.5kPa 壓力的氣體介質(zhì)中能夠承受6000℃的高溫環(huán)境下2 秒內(nèi)不產(chǎn)生裂紋，從而能夠提升鋁合金部件的工作溫度，在航空航天等對(duì)瞬時(shí)溫度要求較高的行業(yè)中，經(jīng)過微弧氧化工藝處理后的鋁合金能夠作為受熱零部件使用。

由此可見，將微弧氧化工藝應(yīng)用于鋁合金材料處理中，生成的陶瓷膜能夠提高鋁合金材料耐熱性能，使其在更高的溫度環(huán)境下保持穩(wěn)定狀態(tài)，從而全面提高鋁合金材料應(yīng)用范圍，對(duì)于鋁合金材料是一種良好的性能強(qiáng)化工藝。

3.4 耐腐蝕性分析

耐腐蝕性是鋁合金性能參數(shù)中的重要指標(biāo)，鋁合金在大部分場景中的應(yīng)用，都對(duì)其耐腐蝕性具有較高要求，所以提高鋁合金材料耐腐蝕性是一項(xiàng)重要工作。有相關(guān)研究證明，通過采用微弧氧化工藝，所形成的陶瓷膜能夠全面提高鋁合金材料表面耐腐蝕性，主要是因?yàn)樘沾赡つ軌蚪档弯X合金腐蝕速率，對(duì)鋁合金表面起到良好的保護(hù)作用。

在相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究中表明，隨著鋁合金微弧氧化膜厚度的增加，其自腐蝕電位也會(huì)逐漸提高，自腐蝕電流明顯降低。在部分對(duì)ZL205 型鋁合金微弧氧化陶瓷膜的耐腐蝕性研究中，試驗(yàn)人員采用中性鹽霧進(jìn)行復(fù)試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如果膜厚度超過30μm，陶瓷膜主要由α-Al2O3以及γ-Al2O3以及莫來石組成，此時(shí)鋁合金膜具有良好的耐腐蝕性，其隨著厚度變化的特征不明顯；當(dāng)膜厚度低于30μm 時(shí)，陶瓷膜主要由γ-Al2O3以及普通氧化物組成，耐腐蝕性會(huì)隨著膜厚度增加而提升；在其他一些試驗(yàn)中，采用3.5%氯化鈉溶液，對(duì)6061 型鋁合金微弧氧化陶瓷膜進(jìn)行的中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)，經(jīng)過600 小時(shí)的試驗(yàn)證明，經(jīng)過微弧氧化處理后的鋁合金腐蝕速率明顯降低，耐腐蝕性全面提高，說明微弧氧化工藝能夠有效提升鋁合金耐腐蝕性。

4 結(jié)語

綜上所述，本文全面闡述了微弧氧化技術(shù)的發(fā)展歷程以及技術(shù)原理，并對(duì)影響微弧氧化技術(shù)應(yīng)用的主要因素進(jìn)行分析，最后對(duì)經(jīng)過微弧氧化技術(shù)處理后鋁合金的性能變化進(jìn)行探究，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)領(lǐng)域的研究起到一定借鑒和幫助作用，不斷提高微弧氧化技術(shù)水平。