鋁合金微弧氧化技術的研究進展

陳姣麗

摘 要 鋁合金的密度較小，且強度較高，在航空航天、工業(yè)以及民用制造業(yè)生產(chǎn)中具有良好的應用效果，但是鋁合金的硬度較低，且耐磨性較差，所以在具體應用過程中會受到一定的限制。為了明確微弧氧化技術對于鋁合金的影響，本文詳細闡述了微弧氧化的基本原理，對影響微弧氧化的主要因素進行分析，最后對不同實驗條件下經(jīng)過微弧氧化處理后鋁合金的硬度、耐磨性疲勞性能、熱學性能以及耐腐性能進行分析，根據(jù)實驗結果表明，微弧氧化技術能夠有效提高鋁合金綜合性能。

關鍵詞 鋁合金 微弧氧化技術 電解液 電解液配方 基體材料

中圖分類號：TG178 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）03-0001-03

鋁合金的密度較小，且強度較高，因此在實際應用過程中，需要提高鋁合金的硬度、耐磨性以及耐腐蝕性，主要通過對鋁合金表面進行處理方式。其中，微弧氧化技術具有良好的應用效果，微弧氧化技術以普通陽極氧化技術為基礎，通過弧光放電提高和激活在陽極中發(fā)生反應，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 微弧氧化技術原理分析

1.1 微弧氧化技術發(fā)展歷程

1930年初，研究人員將金屬放置在強電場中，發(fā)生了火花放電的現(xiàn)象，研究人員發(fā)現(xiàn)火花對于金屬氧化膜會產(chǎn)生一定的破壞作用。經(jīng)過進一步實驗發(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，所以該技術逐漸在鎂合金的防腐處理中應用。1970年后，美國、德國等國家相繼開展該項技術的研究，對火花放電的具體原因進行分析，并提出了“電子雪崩”的模型，通過該模型對放電過程中金屬的氧化反應進行研究，相關研究人員指出該現(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)生的強大熱應力是引起“電子雪崩”的主要動力源;研究人員之后提出放電的高能電子來自進入氧化膜中的電解質，并提出了“火花沉積”模型，由此微弧氧化技術被全面應用于有色金屬性能強化中。

1.2 微弧氧化技術原理分析

將金屬放入到電解質溶液中，其表面能夠生成一層較薄的金屬氧化物絕緣膜;當電壓從普通的陽極氧化法拉第區(qū)域進入高壓放電區(qū)域后，當超過臨界值時，絕緣膜中的一些薄弱環(huán)節(jié)就會被擊穿，金屬表面就會產(chǎn)生密度較高的火花放電;在微弧氧化繼續(xù)的過程中，金屬表面的游動弧斑會不斷變大，且弧斑數(shù)量不斷較少，跳躍的頻率會不斷降低，直到弧光完全消失;但是因為擊穿主要發(fā)生在養(yǎng)護膜的薄弱區(qū)域，在被擊穿后該區(qū)域會生成新的氧化膜，薄弱區(qū)域就會轉移到其他區(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→反復擊穿。

在微弧氧化技術應用過程中，通過微弧區(qū)域瞬間產(chǎn)生的高溫燒結作用，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不同階段[1]。例如，將微弧氧化技術應用在6068鋁合金時，在不同的電流密度下，電位會隨著時間的變化而產(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以及快速成像工藝，對鋁、氧等光散射強度和時間的關系進行定量分析，發(fā)現(xiàn)在陽極氧化階段中沒有鋁的散射強度，在經(jīng)過一段時間后，樣本表面會出現(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)代科學技術發(fā)展的影響，微弧氧化工藝在鋁合金材料中的應用，能夠有效提高鋁合金材料各項性能，使得鋁合金材料能夠適應多種高耐磨、高腐蝕性的應用場景。

2 微弧氧化技術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，酸性電解液會對環(huán)境產(chǎn)生一定的危害，所以應用逐漸減少。微弧氧化膜在堿性電解液中會有少部分被其溶解，所以一般采用弱堿性電解液。電解液配方對于微弧氧化技術的應用效果會產(chǎn)生很大影響，電解液中的一些成分會參與微弧氧化形成過程，從而對陶瓷膜的性能產(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，在部分實驗研究中發(fā)現(xiàn)，隨著偏鋁酸鈉溶液逐漸增加，微弧氧化膜的厚度、硬度會有一定提升，但是偏鋁酸鈉溶液超過一定濃度后就不會形成氧化膜[2]。由此可見，電解液配方對于微弧氧化技術的應用效果會產(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，微弧氧化技術最早采用直流電源的形式，但是因為直流電源對于鋁合金表面的放電特征控制效果較差，難以對其應用過程進行精準控制，所以微弧氧化膜會因為電流密度過大而出現(xiàn)局部破損的問題，因此該電源逐漸被取代，只應用在較為簡單或對質量要求不高的鋁合金工件制備中。

其次，在單脈沖電源應用中，因為脈沖電壓和電流具有“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用，在占空比逐漸增加的情況下，微弧氧化膜的結合力會明顯提高，微弧氧化膜與鋁合金的分離面從致密層不斷向疏松層轉移[3]。

最后，在雙脈沖電源的應用中，疊加負脈沖的交流電源應用成本較低，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是當前該項技術的主要發(fā)展方向。在具體的實驗研究中，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，在相關實驗中，將硬鋁、鍛鋁、純鋁以及鑄造鋁合金進行微弧氧化處理，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能夠促進微弧氧化，Si則會對微弧氧化產(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)量會隨之而提升，會對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，基體材料對于微弧氧化工藝具有直接影響，所以在采用微弧氧化對鋁合金進行處理時，需要準確分析鋁合金基體材料的屬性。gzslib202204012013

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層和疏松外層構成，致密層是其性能提高的主要工作層，通常由α-Al2O3相和γ-Al2O3相構成，從外層到內層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。因為鋁合金微弧氧化膜的外層主要為疏松層，內層主要為致密層，不同層的成分和微觀結構存在差異，所以會對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)，導致微弧氧化膜硬度降低的主要原因是因為α-Al2O3相的含量降低;在相關對比試驗中，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。主要是因為微弧氧化膜表層較為疏松，所以初始模量最大，耐磨性能逐漸提高。同時，在相關試驗中，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，當鎢酸鈉溶液濃度為7g/L時，鋁合金陶瓷膜質地光滑緊密，耐磨性能得到很大提升。此外，在部分實驗研究中發(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

因為微弧氧化膜的硬度和彈性模量相比于鋁合金基體更高，在和鋁合金基體冶金結合后，對于鋁合金的拉伸性能影響不夠顯著。在一些實驗研究中，2024鋁合金在經(jīng)過微弧氧化技術處理后，相比于沒有經(jīng)過處理的鋁合金基體，其屈服強度、抗拉強度會隨著膜厚的增加而降低，但是降低量始終在5%之內;部分實驗研究中發(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力提高50%以上，上層微弧氧化膜在撓度設定為6mm時會發(fā)生破裂現(xiàn)象，但是下層微弧氧化膜在撓度超過20mm后雖然會出現(xiàn)裂紋，但是不會直接脫落。

微弧氧化膜對于鋁合金疲勞性能的影響是主要研究內容，會受到微弧氧化膜的內應力、厚度以及微觀結構等因素影響，通過微弧氧化膜改善鋁合金的疲勞性能具有重要意義，但是當前技術發(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)過微弧氧化技術處理后，其基礎材料和拋光后的平面彎曲疲勞微弧氧化膜厚度為40μm，微動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。微動疲勞實驗結果表明：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構，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)相關實驗數(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壓力的氣體介質中能夠承受6000℃的高溫環(huán)境下2秒內不產(chǎn)生裂紋，從而能夠提升鋁合金部件的工作溫度，在航空航天等對瞬時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用范圍，對于鋁合金材料是一種良好的性能強化工藝。

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，鋁合金在大部分場景中的應用，都對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重要工作。有相關研究證明，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，主要是因為陶瓷膜能夠降低鋁合金腐蝕速率，對鋁合金表面起到良好的保護作用。

在相關實驗研究中表明，隨著鋁合金微弧氧化膜厚度的增加，其自腐蝕電位也會逐漸提高，自腐蝕電流明顯降低。在部分對ZL205型鋁合金微弧氧化陶瓷膜的耐腐蝕性研究中，試驗人員采用中性鹽霧進行復試試驗，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;當膜厚度低于30μm時，陶瓷膜主要由γ-Al2O3以及普通氧化物組成，耐腐蝕性會隨著膜厚度增加而提升;在其他一些試驗中，采用3.5%氯化鈉溶液，對6061型鋁合金微弧氧化陶瓷膜進行的中性鹽霧腐蝕試驗，經(jīng)過600小時的試驗證明，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 結語

綜上所述，本文全面闡述了微弧氧化技術的發(fā)展歷程以及技術原理，并對影響微弧氧化技術應用的主要因素進行分析，最后對經(jīng)過微弧氧化技術處理后鋁合金的性能變化進行探究，希望能夠對相關領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水平。

參考文獻：

[1] 雷欣，林乃明，鄒嬌娟，等.鋁合金微弧氧化的研究進展[J].表面技術，2019，48（12）：22-34.

[2] 沈雁，劉桂香，謝榮.電參數(shù)對2A12鋁合金微弧氧化膜組織結構的影響[J].現(xiàn)代制造工程，2019，461（02）：71-75.