電參數(shù)對(duì)7075鋁合金微弧氧化膜硬度的影響

張紀(jì)磊，柴永生，劉存海，孫 超

（1.煙臺(tái)大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264003；2.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001）

7075鋁合金因結(jié)構(gòu)緊密，具有較好的普通抗腐蝕性能和良好機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造和武器裝備等領(lǐng)域。通過對(duì)鋁合金進(jìn)行微弧氧化處理，可以進(jìn)一步提升材料的硬度等表面性能。另外，因其工藝簡(jiǎn)單，無(wú)污染，所以該技術(shù)在鋁合金應(yīng)用領(lǐng)域也得到大規(guī)模推廣。

由于微弧氧化反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜，氧化膜層生長(zhǎng)速度受諸多因素影響，且目前尚無(wú)理論模型能定量分析各電參數(shù)對(duì)膜層硬度的影響，為此，本文將通過正交試驗(yàn)，研究在正向電壓、占空比和脈沖頻率等電參數(shù)不同時(shí)，7075鋁合金表面生成微弧氧化膜層硬度的變化情況，進(jìn)而分析電參數(shù)對(duì)微弧氧化膜層硬度的影響規(guī)律和影響程度，以期為微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供理論支撐。

1 試驗(yàn)條件和方法

1.1 試驗(yàn)條件

本研究使用濟(jì)南能華機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的NHSM800-5型開關(guān)直流雙脈沖電源作為微弧氧化電源，電源工作方式有恒壓和恒流2種方式，最大輸出功率5 kW。

由于本研究使用的是小型微弧氧化電源，電源功率相對(duì)較低，為降低試驗(yàn)對(duì)電源功率的依賴，試驗(yàn)中使用小尺寸電極和微小極間距，以減小反應(yīng)面積，提高相同電壓條件下的電流密度，陰極使用直徑16 mm的圓形網(wǎng)狀電極，材質(zhì)為304 不銹鋼，試驗(yàn)極間距為2 mm。

電解液選擇硅酸鹽體系，使用NaF 作為添加劑，提高溶液的電導(dǎo)率。具體溶液配比為NaSiO（10 g/L）、NaOH（5 g/L）、NaF（2.5 g/L）。

1.2 試驗(yàn)方案

為節(jié)省研究時(shí)間和精力，本章采用正交試驗(yàn)法安排、分析多因素試驗(yàn)，挑選適量的且具有代表性的因素（正向電壓、占空比、頻率等電參數(shù)），安排正交試驗(yàn)，如表1所示。相對(duì)于全面試驗(yàn)而言，正交試驗(yàn)只是部分試驗(yàn)，它可以用較少的試驗(yàn)次數(shù)，來保證全面試驗(yàn)在電參數(shù)影響規(guī)律方面的研究需求。為了節(jié)省研究時(shí)間，將所有正交試驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間控制為300 s；為了減少試驗(yàn)組數(shù)，非主要因素反向電壓和總占空比分別固定為200 V和50%。

表1 正交試驗(yàn)電參數(shù)組合Tab.1 Combination of electrical parameters

為了確定正交試驗(yàn)中正向電壓的選擇范圍，試驗(yàn)前，先進(jìn)行了恒流模式下的微弧氧化試驗(yàn)，正反向電流均為1 A。在本研究中所使用的電源、電極和電解液條件下，正向電壓升高到525 V左右便不再增加，故正交試驗(yàn)中，正向電壓選擇為300 V、400 V和500 V。

張欣盟通過研究不同占空比對(duì)陶瓷層截面的影響得出：在其他參數(shù)相同的條件下，正向占空比比較小時(shí)，獲得的微弧氧化陶瓷層比較致密，表面缺陷較少，即當(dāng)正向占空比為25%時(shí)，微弧氧化陶瓷層的缺陷比較大。由于本研究中總占空比為50%，正向占空比25%時(shí)，反向占空比為25%，故正交試驗(yàn)中反向占空比在25%附近選擇3 個(gè)參數(shù)，分別為10%、20%和30%。

鄭金杰研究了脈沖頻率對(duì)7075 鋁合金微弧氧化陶瓷膜層的影響，結(jié)果表明，當(dāng)脈沖頻率為300 Hz時(shí)，膜層致密性最好，硬度最大。而且經(jīng)查閱相關(guān)論文發(fā)現(xiàn)，對(duì)7075鋁合金進(jìn)行微弧氧化處理使用頻率多為300 Hz。故正交試驗(yàn)中脈沖頻率在300 Hz 附近選擇3個(gè)參數(shù)，分別為200 Hz、250 Hz和300 Hz。

1.3 檢測(cè)方法

研究中，對(duì)膜層表面顯微硬度的測(cè)量，使用的是北京吉泰科儀檢測(cè)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HV-1000 型維氏硬度計(jì)，如圖1 所示。該硬度計(jì)采用高倍率光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和光學(xué)雙通道結(jié)構(gòu)，物鏡有10倍和50倍2檔可選，目鏡放大倍數(shù)為10，總放大倍數(shù)可達(dá)400，最高測(cè)量分辨率可達(dá)0.5 μm。該型號(hào)硬度計(jì)硬度測(cè)試范圍為0～3 000 HV，且精度滿足GB/T 4340.2—2012。

圖1 HV-1000維氏硬度計(jì)Fig.1 JITAI661 Vickers hardness tester

進(jìn)行硬度測(cè)量時(shí)，試驗(yàn)力選擇1.96 N，試驗(yàn)力保荷時(shí)間設(shè)定為15 s，分別在每個(gè)樣品表面選擇5 個(gè)不同位置，分別測(cè)量后求取的平均值，作為樣品最終的硬度值。試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)電參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)?zāi)颖砻嬗捕葴y(cè)量結(jié)果Tab.2 Results of film surface hardness in the electrical parameter comparison test 單位：HV

2 數(shù)據(jù)分析

通過極差分析法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算膜層硬度在同一電參數(shù)水平上的平均值、極差（最大值-最小值）和相對(duì)極差（極差/平均值）。通過相對(duì)極差分別表示各個(gè)參數(shù)對(duì)陶瓷膜層硬度的影響程度，相對(duì)極差越大，說明該參數(shù)對(duì)成膜厚度影響限度越大，即該電參數(shù)的變化將最大程度地影響膜層生長(zhǎng)速度，若要提高膜層生長(zhǎng)速度，則應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)該電參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；通過不同電參數(shù)下膜層硬度平均值的變化，研究電參數(shù)對(duì)膜層硬度的影響規(guī)律，確定該電參數(shù)應(yīng)增大還是減小。

2.1 正向電壓對(duì)膜層硬度的影響

利用表2 的測(cè)量結(jié)果，針對(duì)正向電壓對(duì)樣品陶瓷膜層硬度影響進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表3。

表3 正向電壓對(duì)膜層硬度的影響Tab.3 Effect of positive voltage on film hardness

由表1～3可知：1～3號(hào)試驗(yàn)中正向電壓相同，均為300 V，試驗(yàn)樣品陶瓷膜層的硬度平均值248.1 HV；4～6號(hào)試驗(yàn)中的正向電壓均為400 V，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為408.7 HV，相對(duì)300 V 時(shí)的試驗(yàn)樣品，陶瓷膜層平均硬度增加了160.6 HV，增比達(dá)64.7%，正向電壓的增高促使膜層硬度增大，且變化明顯；7～9號(hào)試驗(yàn)中正向電壓均為500 V，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為623.4 HV，增加了214.7 HV，增比52.5%，膜層硬度增幅仍然比較顯著。正向電壓對(duì)膜層硬度的影響，如圖2所示。

圖2 正向電壓對(duì)膜層硬度的影響Fig.2 Effect of positive voltage on film hardness

由圖2可以看出，在微弧氧化時(shí)間相同的情況下，微弧氧化反應(yīng)生成的陶瓷膜層硬度隨著正向電壓的升高持續(xù)增大，且正向電壓越高，硬度變化斜率越大。經(jīng)分析認(rèn)為，這是由于正向電壓增高時(shí)，電流密度大，反應(yīng)中放電能量高，反應(yīng)更加劇烈，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)放熱更多，反應(yīng)形成的等離子體溫度更高，在高溫等離子體作用下，會(huì)促使γ-AlO轉(zhuǎn)化為α-AlO，而α-AlO的增加會(huì)大幅度提高陶瓷膜層的硬度。

另外，由表3中的極差分析可知：正向電壓增加至500 V ，3 組試驗(yàn)樣品的陶瓷膜層硬度極差為561.1 HV，相對(duì)極差達(dá)到最大0.90，樣品之間的差異更加明顯，這說明鋁合金微弧氧化試驗(yàn)中，極間正向電壓越高，其他電參數(shù)對(duì)生成氧化陶瓷膜層硬度的影響就越大。

2.2 占空比對(duì)膜層硬度的影響

在試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置時(shí)，我們將總占空比固定在50%，反向占空比減小，則正向占空比增大（例如反向占空比為40%，則正向占空比為10%）為便于描述，下文將只用反向占空比區(qū)分不同組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

利用表2 的測(cè)量結(jié)果，對(duì)占空比相同的試驗(yàn)所得陶瓷膜層進(jìn)行硬度的平均值、極差和相對(duì)極差分析，結(jié)果如表4所示。

表4 反向占空比對(duì)膜層硬度的影響Tab.4 Effect of reverse duty cycle on film hardness

1 號(hào)、4 號(hào)和7 號(hào)試驗(yàn)中占空比設(shè)置相同，反向占空比為40%，即正向占空比為10%，試驗(yàn)樣品陶瓷膜層的硬度平均值261.2 HV；2號(hào)、5號(hào)和8號(hào)試驗(yàn)中，反向占空比為30%，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為470.6 HV，相對(duì)反向占空比為40%的試驗(yàn)樣品，陶瓷膜層平均硬度增加了209.4 HV，增比高達(dá)80.2%，反向占空比減小后，生成陶瓷膜層的硬度明顯增大；3號(hào)、6號(hào)和9號(hào)試驗(yàn)中，反向占空比為20%，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為548.4 HV，陶瓷膜層硬度平均值增加了77.8 HV，增比16.5%，膜層硬度增幅不明顯。反向占空比對(duì)膜層硬度的影響，如圖3所示。

圖3 反向占空比對(duì)膜層硬度的影響Fig.3 Effect of reverse duty cycle on film hardness

圖3中，在微弧氧化時(shí)間相同的情況下，隨著反向占空比減小，生成的氧化陶瓷膜層硬度逐漸增加，但增速減緩。經(jīng)分析認(rèn)為：可能是由于總占空比50%不變，反向占空比減小，正向電壓占空比增大，正向脈沖寬度變大，單脈沖放電時(shí)間增加，導(dǎo)致單脈沖放電能量大大增加，從而使微弧氧化成膜速率提高，單位時(shí)間內(nèi)生成的氧化陶瓷膜層增厚，硬度增大；另外，由于負(fù)脈沖過程中，析氧的還原反應(yīng)會(huì)在已經(jīng)生成的氧化陶瓷膜表面發(fā)生，使表面部分氧化陶瓷膜溶解，因此，反向占空比越大，陶瓷膜層溶解越嚴(yán)重，從而在一定程度降低了氧化陶瓷膜厚度，造成硬度降低。

另外，由表4 中的極差分析可知：反向占空比為40%時(shí)，3 組試驗(yàn)樣品陶瓷膜層的硬度相對(duì)極差為0.28，此時(shí)膜層硬度較低，相對(duì)變化也不大，受其他參數(shù)影響較小；反向占空比為30%和20%時(shí)，3組試驗(yàn)樣品的膜層硬度相對(duì)極差分別為1.02 和1.05，相對(duì)極差非常大，說明在這2種占空比參數(shù)下，其他電參數(shù)對(duì)試驗(yàn)樣品陶瓷膜層硬度的影響顯著增大。

2.3 脈沖頻率對(duì)膜層硬度的影響

利用表2 的測(cè)量結(jié)果，對(duì)于脈沖頻率相同的試驗(yàn)的陶瓷膜層進(jìn)行硬度的平均值、極差和相對(duì)極差的計(jì)算，結(jié)果如表5所示。

表5 脈沖頻率對(duì)膜層硬度的影響Tab.5 Effect of pulse frequency on film hardness

表5 中，頻率為200 Hz 時(shí)，試驗(yàn)樣品陶瓷膜層的硬度平均值為492.4 HV。2 號(hào)、4 號(hào)和9 號(hào)試驗(yàn)中，頻率設(shè)置為250 Hz，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為463.2 HV，相對(duì)頻率為200 Hz 的試驗(yàn)樣品，陶瓷膜層平均硬度減小了29.2 HV（5.9%）；3號(hào)、5號(hào)和7號(hào)試驗(yàn)中，頻率設(shè)置為300 Hz，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為324.5 HV，陶瓷膜層硬度平均值減小了138.7 HV（29.9%）。

膜層硬度隨脈沖頻率的變化曲線，如圖4 所示。在微弧氧化時(shí)間相同的情況下，隨著試驗(yàn)脈沖頻率的增大，生成樣品的陶瓷膜層硬度逐漸減小。頻率越大，圖像斜率越大，減小幅度越大。經(jīng)分析認(rèn)為，可能與生成AlO的不同晶態(tài)有關(guān)。當(dāng)脈沖頻率較大時(shí)，單次脈沖周期短，氧化陶瓷膜表面單次放電時(shí)間短，能量低，使得反應(yīng)溫度不夠高，這樣不利于γ-AlO轉(zhuǎn)化為α-AlO，生成陶瓷膜層中α-AlO的速度減少，由于α-AlO的含量會(huì)大幅度提高陶瓷膜層的硬度，從而出現(xiàn)以上結(jié)果。

圖4 脈沖頻率對(duì)膜層硬度的影響Fig.4 Effect of pulse frequency on film hardness

由表5 中的極差分析可知：脈沖頻率為200 Hz時(shí)，3組試驗(yàn)樣品陶瓷膜層的硬度極差為525.6 HV，相對(duì)極差1.07，此時(shí)膜層硬度平均值最大，但相對(duì)變化也較大，說明受其他參數(shù)影響較大；脈沖頻率為250 Hz時(shí)，3組試驗(yàn)樣品的膜層硬度極差為588.4 HV，相對(duì)極差1.27，雖然平均硬度只有小幅降低，但相對(duì)極差卻非常大，其他電參數(shù)對(duì)該頻率下試驗(yàn)樣品陶瓷膜層硬度的影響顯著增大；脈沖頻率為300 Hz 時(shí)，生成樣品的陶瓷膜層硬度極差為141.9 HV，相對(duì)極差0.44，雖然平均硬度最小，但相對(duì)極差也最小，該頻率下膜層硬度不易受其他電參數(shù)影響。由于前2組數(shù)據(jù)反映出的相對(duì)極差都較大，若選擇這2個(gè)頻率進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)著重考慮其他電參數(shù)對(duì)膜層硬度的影響程度。

2.4 電參數(shù)對(duì)膜層硬度影響程度分析

為了進(jìn)一步分析各電參數(shù)對(duì)膜層硬度的影響程度，確定影響陶瓷膜層硬度的各個(gè)因素的主次，利用表3的數(shù)據(jù)，可計(jì)算不同正向電壓時(shí)，膜層硬度的極差為375.3 HV，相對(duì)極差為0.88，用表示。同理，根據(jù)表4和表5的數(shù)據(jù)：計(jì)算反向占空比不同時(shí)，膜層硬度平均值的相對(duì)極差為0.67，用表示；脈沖頻率不同時(shí)，膜層硬度平均值的相對(duì)極差為0.39，用表示。相對(duì)極差由大到小排列為＞＞，即3個(gè)因素中，極間正向電壓的影響程度最大，其次是反向占空比，脈沖頻率影響最小。

3 結(jié)論

本文通過正交試驗(yàn)，研究了正向電壓、占空比和脈沖頻率對(duì)鋁合金微弧氧化膜層硬度的影響。通過對(duì)單一水平因素下膜層硬度平均值分析發(fā)現(xiàn)：鋁合金微弧氧化陶瓷膜層硬度會(huì)隨著兩極間正向電壓的增大而增大；隨反向占空比的減小而增大；隨著脈沖頻率增大而減小。可以通過增大正向電壓，減小反向占空比，增大正向占空比，減小脈沖頻率的方法，提高微弧氧化膜層的硬度。因此，針對(duì)本研究所用設(shè)備和試驗(yàn)條件，提高7075鋁合金微弧氧化膜層硬度的最佳電參數(shù)方案應(yīng)為：正向電壓500 V，反向占空比20%，脈沖頻率200 Hz。

通過對(duì)相對(duì)極差的分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)氧化膜硬度影響程度最大的是正向電壓，影響程度最小的是脈沖頻率。因此，在對(duì)7075 鋁合金進(jìn)行微弧氧化處理時(shí)：若需重點(diǎn)增大氧化膜硬度，則應(yīng)優(yōu)先考慮增大正向電壓；若在保證氧化膜硬度的同時(shí)還需兼顧其他表面性能，則應(yīng)優(yōu)先考慮對(duì)膜層硬度影響最小的脈沖頻率進(jìn)行調(diào)整。