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第 1 期铝合金表面微弧氧化涂层制备的影响因素分析余海洋，谷艳飞（湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石435000）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.44 No.1Jan.2024摘要：铝合金材料表面改性的技术多种多样，其中最核心的是微弧氧化技术。基于微等离子体的高温高压条件之下，能够让所生成的微弧氧化膜具备较厚的膜层和较强的硬度，甚至能够加强耐磨性、耐腐蚀性以及耐压绝缘等，在各个不同的工业领域中都有着十分广阔的前景。文章着重研究和分析铝合金材料表面改性结果，对于制备铝合金表面微弧氧化涂层有着深远的意义，并且单独针对其进行工艺参数的设定，可进一步获取到综合性且完整性的优质陶瓷膜层参数值。关键词：铝合金表面；微弧氧化涂层；影响因素文章将基体材料当作铝合金，针对相应的工艺参数而完成实验和研究。关于铝合金材料的表面存在较多的改性技术，其中微弧氧化技术比较重要。在高温高压的环境下，最终所生成的微弧氧化膜会因微等离子而产生各不相同的优异特性，如耐高压、耐高温和耐绝缘特性等。在各个不同的领域都有广阔的应用前景，例如化工领域、石油领域和机械领域等，尤其是比较适合于高速运转过程中耐磨的铝合金零部件的表面处理。1微弧氧化技术概念微弧氧化技术简称微 MAO，亦可称之为微等离子体氧化技术 MFO 和阳极火花沉积技术，其本质是将 Al、Mg 和 Ti 等不同的金属放置于电解液内，在通电表面之后借助微等离子体而完成放电过程，本氧化陶瓷层的绝缘电阻通常超过了 100M，它有着相对优质的耐磨性和防腐蚀性，可让铝合金的耐磨性和耐腐蚀性加强，甚至也具备一定的抗热性咱1暂。2微弧氧化技术工艺微弧氧化技术工艺中较为简易的是微弧氧化的装置结构，其不需要专门的清洗设备。尽管冷却装置看上去比较简单，但实际上却比较多元化，如图 1咱2暂。若将其和普通阳极氧化比较，实际上微弧氧化工艺流程并不算复杂，整个过程单单需要把金属表面的尘土和油污通通去除即可，和普通的阳极氧化是大不相同的，即根本无需一整套化学预处理工序等。3铝合金表面微弧氧化涂层制备的影响因素分析3.1铝合金基体成分对氧化膜性能的影响如果微弧氧化工艺受到了基体材料所带来的影响，之前在没有任何准备的条件下可进行氧化反应，普通铝合金内部存在多种杂质，在反应之后可逐渐降低大量氧化层，此时陶瓷层也开始变得相对疏松咱3暂，例如Cu 和 Fe 以及 Zn 元素等，几者元素会因为数量增加而产生负面作用，促使致密层的厚度值有所下降，亦增大了孔隙率，虽然和如上几种元素相比之下，Si 虽然带来的负面影响微乎其微，但氧化膜会因为 Si 含量的超标而逐步疏松，甚至变薄。3.2电解液组成对氧化膜性能的影响通常而言，无论溶液中的酸碱度呈强碱性还是弱基金项目：2018 年度校级科研资助项目（18xjz03Q）。作者简介：余海洋（2003），男，湖北武汉人，主要研究方向：材料、机械设计制造及其自动化。图 1微弧氧化工艺与设备原理简图脉冲电源铝合金工件压缩空气管电解液不锈钢槽380V50Hz25冶金与材料第 44 卷碱性，微弧氧化均可在电解液中发生化学反应，通常微弧氧化陶瓷层反应程度取决于电解液类型和组成成分，当电解液不同的时候，生长速率和结构以及成分等要素对于整个过程的影响也有所不同。3.3氧化时间对氧化膜性能的影响相关研究人员发现氧化膜表面微孔孔径伴随着氧化时间的延长而逐渐增大，此时的微孔数量相对变少，而氧化膜的厚度也会因为生长速率的缩减而增大，随之减少了微孔数量，平均表面硬度呈现先增大后减小的变化趋势咱4暂，氧化时间的长短直接影响了陶瓷层的摩擦系数大小，让微弧氧化陶瓷层的磨损寿命大幅度提升。3.4电流密度对氧化膜性能的影响从普通阳极氧化开始，到微弧氧化为止，该过程完全打破了常规的电压法拉第区域范围限定，使阳极电位直接升高到 200V 左右，由此产生大量的火花放电等作用，当完全观察了电流变化规律之后才能确定不同阶段的电流峰值，整个过程存在三个不同的变化阶段，如图 2 所示咱5暂。图 2微弧氧化峰值电流相对高度随电压变化曲线9060300200400600800电压/V从微弧氧化陶瓷层生长和性能加强两个方面来分析，相对而言受到影响比较大的是电流密度，如果工作电压和电流密度两者各不相同，那么所得到的氧化陶瓷层的厚度以及硬度等性能也是不同的。膜的性能也是十分重要一部分。经过研究可知，在特定范围中，伴随着电流密度的增大，微弧氧化陶瓷层的厚度也将逐渐增大，两者呈正相关关系，如果微弧氧化在早期化学反应发生一层相对致密氧化膜的时候，倘若电流低于最低限定值咱6暂，微弧氧化过程基本上是不能持续性反应的，但是陶瓷层的电流密度确实存在一个极大值，如果超过该值，必将于整个生长的过程中产生明显的烧毁状态，除了有着较快的能耗，而且也存在粗糙的表面。3.5脉冲频率对氧化膜性能的影响当借助于脉冲电流的时候需要让氧化所耗费的脉冲频率逐渐降低，该过程不能脱离相对较高的电流密度，由此才能快速让陶瓷层的生长速率变高，在室内环境下的氧化反应可高速提升氧化膜的耐腐蚀性和耐磨性，总之，利用脉冲电源可提升粗糙度。对于厚度比较均匀的陶瓷层，内部的非晶态在高频之下完全超过了低频下的含量，最高可提升到 98.7%，因此在高频下所得到的陶瓷层的致密性很明显要高一些。3.6电解液温对氧化膜性能的影响虽然成膜速率因为电流密度的升高而变快，但是因为温度的升高后有所降低，当溶液的温度超过了40咱7暂，电解液温度对它有着较大的影响，但是不能确定微弧氧化过程。大量能量是因为该过程所产生的，既提升了水温，溶液的温度也自然而然地提升，会产生飞溅的现象，陶瓷层也产生局部受热反应，甚至击穿和烧焦过程也频频出现，导致降低氧化膜的质量，因此该项技术需要提升冷却系统的优质性，将电解液温度控制在 40之下，而且搅拌过程也是核心过程。4影响陶瓷层的因素4.1电参数的影响对于微弧氧化制备膜层时的电参数来说，所包含的核心参数有三个，第一是电压，第二是电流密度，第三是电流频率。首先对于微弧氧化电压而言，有关实验表明，如果膜层的生长速率减缓，那么最终产生的颜色就比较浅显，相对而言硬度也不高；相反的，陶瓷膜层将会产生烧蚀状态，所以造成了密度比较小，而且也产生了十分不均匀的厚度。对于最终生成的微弧氧化膜层来说，电流密度对其影响十分大，陶瓷层的生长速率伴随着电流密度变大而升高，强度、硬度以及耐磨性等综合性能加强。吕鹏翔等学者在分析过程中借助扫描式微弧氧化的方法，明确了电流密度会因为其阴极截面面积的缩小而变大，所以膜层生成的效率和传统微弧氧化生成效率相比之下要快好几百倍，但是膜层生长过程会因为电流密度的进一步增大而产生严重的烧蚀现象。就膜层质量而论，电流频率对其影响或多或少，如果要生长出质量比较好的微弧氧化陶瓷膜层，那么可知此时的电流频率相对较高，中国研究学者马颖提出了当频率达到了 600Hz 的时候，此时的膜层表面尤为粗糙，且存在相对较大的表面孔径，周边的熔融物颗粒相对比较大，当频率范围在 8001000Hz 时可得到相对平整的膜层表面，膜层表面放电微孔孔径也就不大。4.2氧化时间的影响研究学者吴振东在分析之后再三确定了微弧氧化成膜的电参数值，且重点分析了反应时间和微弧氧化膜组织层的性能，结论表明，伴随着时间的逐渐延长，膜层厚度更加趋于线性趋势的递增，可提升 滋（摩擦因数），亦可加强硬度和耐腐蚀性，但后续却伴随着时间的延长却逐渐缩减，总之微弧氧化膜的性能于一定时26第 1 期间内呈线性增强。4.3基体成分的影响根据相关研究试验表明，在早期生长时期，膜层十分容易受基体影响，但因为在不同的基体上，膜层也将会得到基本一致的陶瓷膜层耐磨性，与此同时，掺杂相对较多元素杂质的膜层的质量水平相对较低，让膜层的厚度缩小，造成了较差的致密性，综合性能有所降低。相关学者通过对 2024、6061、7075 铝合金，以及Al-x-Mg二元合金重点分析，可知基体合金元素对膜层显微结构造成不同程度的影响，并且其膜层内状-Al2O3/琢-Al2O3含量的比重与 Mg 和 Cu 以及 Zn 的含量呈负相关关系，而且 琢-Al2O3含量主要存在于 6061 铝合金膜层中，相对地，状-Al2O3主要存在于 7075 铝合金表面的膜层中。4.4溶液组分的影响对于微弧氧化溶液来说，其酸碱度都低于 7，呈酸性。磷酸盐、硼酸盐以及硅酸盐是主要使用的溶液，如果要将具有较高酸性的酸根离子水溶液相比之下，基体表面层容易产生十分容易吸附的氧原子，以至于电子数成千上万，产生这一现状的原因是外来杂质放电中心，它可简简单单地让表面产生熔融反应和烧结反应，同时生成综合性能良好的膜层。水溶液浓度取决于陶瓷膜的厚度和硬度，国内研究学者赵坚在分析的过程中提出 6063 铝合金自身性能以及微弧氧化层在化学反应的过程中会由于 Na2SiO5所带来的影响，在电参数和反应时间两者完全等同的前提条件下，提前设定其浓度少于 9g/L 时，膜层硬度也伴随着电解溶液浓度的逐步提升而开始增大。调整组分可有两个良好的效果，第一是可改进膜层性能，第二是提高膜层生长速率，当在加入配位化合物之后，整个过程也能顺利将有害物质的侵蚀避开而全面调整膜层的生长速率，最后确保了膜层的耐磨性、耐腐蚀性以及致密性。5结论首先，和普通阳极氧化相比之下，微弧氧化的工序相对来说并不复杂，单单使油污和尘土从基体表面去除即可，但是工艺的实用效果相对较差，且众多配方性能都不算优质，工作过程中亦为使用一些关键技术，基于本论文所探究的核心问题，需要基于核心的研究思路才能让电解液体系方面的开展工作更加完善，同时对于基体的保护性能也需要不断地开发和研究。总之，在利用微弧氧化技术作用于铝合金材质的基体表面原位方面的流程中，研究人员要注意到该过程万万不可脱离于致密的陶瓷氧化膜和均匀的外膜，其影响因素颇多，正如溶液组分和氧化时间以及相关参数等，所以必须把科学合理的工艺参数选取到位之后才能让陶瓷膜层更强。铝合金微弧氧化陶瓷层存在多个方面的特点，如耐腐蚀性、耐磨性及耐热性等。在激冷的条件下，研究人员完全可让 酌-Al2O3相的自由能下降，日后亦让 琢-Al2O3等同于 酌-Al2O3相的自由能，即两者确实都存在于热力学平衡点标准期间，酌-Al2O3相可在平衡点下逐渐生成，若处于平衡点的上部，若其处于长时期的反应下完全能够帮助 琢-Al2O3相的成核率瞬时提升。当然，它也受到氧化时间和电流密度的影响，因此在确定工艺参数的时候需要对两者之间的匹配度加以重点分析。参考文献1 陈显明，罗承萍，刘江文.镁合金微弧氧化动力学影响因素J.材料导报，2009，23（z1）：485-488.2 吕鹏翔，韦东波，李兆龙，等.扫描式微弧氧化铝合金表面成膜效率分析 J.电加工与模具，2012（4）：30-32.3 马颖，詹华，马跃洲，等.电参数对AZ91D镁合金微弧氧化膜层微观结构及耐蚀性的影响 J.中国有色金属学报，2010，20（8）：1467-1473.4 吴振东，姜兆华，姚忠平，等.反应时间对LY12铝合金微弧氧化膜层组织及性能的影响 J.无机材料学报，2007，22（3）：555-559.5 崔丽华，郝建民.电解液参数对铸造铝合金微弧氧化陶瓷层质量的影响 J.热加工工艺，2012，41（18）：205-207+212.6 陈超，张玉平，陈为为，等.铝合金表面蓝色微弧氧化陶瓷膜的制备及性能研究 J.材料导报，2017，31（10）：121-126.7 赵坚，宋仁国，李红霞，等.Na2SiO3浓度对6063铝合金微弧氧化层组织与性能的影响 J.材料热处理学报，2010，31（1）：146-149.余海洋等：铝合金表面微弧氧化涂层制备的影响因素分析27