铝合金微弧氧化工艺的研究进展

作者:黎辉常;王森林;叶俊辉;许琳;张笑 刊名:《材料保护》 上传者:钱海燕

【摘要】铝合金微弧氧化技术是一种直接在铝及其铝合金材料表面原位生成以氧化铝为主要成分的硬质陶瓷膜层的方法,能显著提高基体材料硬度和耐腐蚀性,弥补基体材料自身的不足。综述了近期国内外关于铝合金微弧氧化技术的研究现状,概括总结了微弧氧化工艺的主要影响因素,并展望了其今后的发展趋势。

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0前言铝及其铝合金材料度具有比强度高、机械加工性能好、抗大气腐蚀能力强等一系列优良的性能[1],已被广泛应用于生活用具、高端电子产品、建筑材料、交通运输、航空航天等领域[3-8]。但是铝材表面硬度较低,耐磨性和耐腐蚀性较差,严重限制了其应用范围[2]。为了克服这些弱点,许多铝合金表面改性技术应运而生,其中常用的铝合金表面改性技术有阳极氧化、电镀、化学镀、电弧喷涂、激光表面改性和微弧氧化技术等[3],能明显改善铝合金材料的综合性能。微弧氧化(Micro-Arc Oxidation,MAO)作为一种新型、高效的表面处理技术已经引起了广泛的关注。微弧氧化陶瓷膜具有较好的耐蚀性和较高的硬度[4-6],正好可以弥补铝合金材料的不足之处,成为铝合金扩大应用范围和延长使用寿命的一种关键技术。微弧氧化膜层的性能受槽液成分及其工艺参数的影响,如:电流密度、外加电压、氧化时间和温度、占空比等[7-9]。本文主要概述了微弧氧化的基本过程与研究进展以及影响膜层性能的主要因素。1铝合金微弧氧化技术概述铝合金微弧氧化(MAO)技术又名等离子体电解氧化(Plasma Electrolytic Oxidation,PEO)或阳极电火花放电沉积技术(Anodic Spark Deposition,ASD)等,主要是将试样作为阳极置于电解液中,且以不锈钢作为阴极,通过不断升高外加电压(可高达1 000 V)的方法在试样表面产生微弧放电的现象,在等离子体化学氧化、化学氧化以及电化学氧化等共同作用下,直接在铝合金材料表面原位生长成以氧化铝为主要成分的硬质陶瓷膜层的方法[10,11]。铝合金微弧氧化反应是多种化学氧化共同作用的复杂过程,包括氧化初期陶瓷层的形成以及后来陶瓷层的击穿、熔融、烧结、凝固,膜层的生长[12]。微弧氧化过程中的反应可分为电解液中的反应、铝合金试样(阳极)反应和不锈钢槽(阴极)反应,而且是常温和高温的化学和电化学反应交织在一起,如下所示[13]:阴极反应:2 H++2e→H2↑(1)阳极反应:4 OH--4e→2 H2O+O2↑(2)Al-3e→Al3+(3)Al3++3 OH-→Al(OH)3(4)2 Al(OH)3→Al2O3+3 H2O(5)2 Al3++3 Si O2-3→3 Si O2+Al2O3(6)4Al+3 O2→2 Al2O3(7)2 Al3++3 O2-→Al2O3(8)γ-Al2O3→α-Al2O3(9)铝合金微弧氧化反应过程主要可分为4个步骤:(1)微弧氧化初期,在通电开始后,铝合金基体金属离子Al3+不断迁移到试样表面,并与电解液中的阴离子发生化学作用,从而在表面生成一层较薄的高阻抗氧化膜层,这层高阻抗氧化膜为起弧提供了必要条件。(2)随着时间的延长,微弧氧化陶瓷膜不断生长并且厚度逐渐增加,其承受的电压也会随之升高,试样表面产生大量的气体。在微弧区,气体被电离击穿而形成的等离子体在陶瓷膜表面薄弱处先放电,引起膜层击穿,导致局部火花放电,并且在膜层中留下大量的细小孔道[12]。由于微弧瞬间形成超高温区域(103~104K)[14],使得微弧区的铝基体和膜层发生融化,放电孔道扩大,并且在高电场作用下,带负电的Si O2-3、O2-、OH-等粒子快速吸附在孔道内壁。(3)吸附到孔道内壁的带负电的粒子与金属基体离子反应生成熔融氧化铝,在放电孔道中的压力作用下,从孔道中喷射出来,经过电解液的激冷作用,在放电孔道口处快速凝固、堆积下来,阻塞放电孔道,使电弧熄灭。(4)电弧熄灭以后,微弧氧化区温度迅速降低,熔融的氧化铝冷却凝固,该处膜层生长、增厚。陶瓷膜

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