文 献 综 述

脉宽对铝合金表面微弧氧化陶瓷层微观结构及耐蚀性的影响

1. 前言

铝及其合金具有储量大、密度小、比强度高、导热性和导电性好、反光性强、塑性好、无低温脆性、挤压加工性能好等优点而成为目前使用量仅次于钢铁的第二大类金属材料,已成为航空航天及汽车制造业等领域的首选材料【18】。但是，铝是较活泼的金属元素，标准电极电位低，在空气中易氧化生成疏松状、非常薄的氧化膜，易破损，尤其在酸(碱)性条件下迅速溶解，极大地降低了其抗腐蚀能力，因而很容易造成产品失效。传统的铝合金表面处理方法很多，根据工艺不同，可分为阳极氧化、化学氧化、电镀和热喷涂等，其中以阳极氧化和电镀的应用较为广泛。但阳极氧化得到的氧化膜较薄且硬度低，多被用于防腐蚀保护及装饰涂层。电镀铬虽可显著提高表面硬度，但前处理工艺复杂且产生废水严重污染环境，属限制推广工艺。

铝合金是一种被广泛应用的结构材料，但是由于其表面硬度低，化学活性大，其耐磨耐蚀性往往不能满足设计的要求。虽然硬质阳极氧化技术、物理气相沉积TiN（或CrN）涂层技术可以在一定程度上提高其表面性能，但是在面对高速和高接触应力的使用条件，仍显不足；同时还会带来一定的环境污染问题。所以针对铝合金开发性能更佳且无污染的MAO技术很有实用意义。一般说来 ,铝合金的 MAO 陶瓷涂层的厚度可超过200μm，而且该涂层对铝合金基体的各项力学性能指标( 如屈服强度 ,抗拉强度 ,伸长率和弹性模量 的影响)不大 ,只是在处理之后稍有降低[11]。这些涂层都具有相似的成分和结构( 疏松层和致密层)，主要由α-Al2O3，γ-Al2O3和Al6Si2O13相组成。

微弧氧化是在阳极氧化基础上发展起来的铝合金表面改性技术。它使电化学生成的氧化膜经过微等离子体的高温高压作用发生相和结构的变化，从而使无序结构的氧化膜变成含有一定α相或γ相的氧化膜，不仅使氧化膜更加致密，而且能大大地提高氧化膜的硬度，改善铝合金表面的耐磨，耐蚀，耐压绝缘及抗高温冲击性，在纺织，机械，电子，医疗及民用工业中具有广阔的应用前景，特别适合于高速运转，要求耐磨的铝合金零部件的表面处理。微弧氧化被称为”既不消耗阴极又不消耗电解液中溶质元素的清洁处理技术” ，同时，又因其生成物的陶瓷属性可赋予铝合金表面优异的耐磨抗蚀性能而引起学术界几十年热情不减的研究兴趣。由其工艺原理可知，自通电诱使铝合金样品表面产生微弧放电（陶瓷层形成）所需的高阻抗障碍层沉积消耗电量Q1和陶瓷层生长增厚期间可完成铝原子向氧化铝陶瓷相转化的每个脉冲所承载的集合电量Q2构成了铝合金微弧氧化处理的主要成本。但到目前为止，众多的研究工作多集中于微弧氧化陶瓷层的物相结构和性能特点的分析与表征，缺少对铝合金微弧氧化陶瓷层生长的电量消耗机制和降低电量消耗途径的理论探讨，严重制约了微弧氧化这一几乎无”成本物质”消耗、无污染排放、防护性能优异的表面处理技术的推广应用。

2. 微弧氧化的基本工艺流程

MAO技术的基本过程【12】:将 Al ,Mg ,Ti 等阀金属浸在一定的电解质溶液中 ,以阀金属为阳极 ,电解槽为阴极 ,并施以较高的电压 可高达(1 000 V )和较大的电流。通电后 ,金属表面立即生成一层很薄的氧化物绝缘层 ,这是进行 MAO 处理的必要条件。当阳极氧化电压超过某一值时 ,最初形成的氧化膜被击穿 ,发生微区弧光放电现象,瞬间形成超高温区域（103-104K）【11】，导致氧化物和基体金属被熔融甚至气化。熔融物与电解液接触后 ,由于激冷而形成陶瓷膜层。由于击穿总是在氧化膜相对薄弱的部位发生 ,当氧化膜被击穿后 ,该部位又会形成新的氧化膜 ,击穿点则转移到其它相对薄弱的区域 ,所以最终形成的膜层是均匀的。

MAO 过程通常可以分为4 个阶段:阳极氧化阶段、火花放电阶段、MAO 阶段和熄弧阶段(或称弧光放电阶段)【12】【13】【14】。

（1）阳极氧化阶段 将样品置于一定的电解液中,通电加压后 ,样品表面和阴极表面出现无数细小均匀的白色气泡。而且随电压增加 ,气泡逐渐变大变密 ,生成速度也不断加快。在达到击穿电压之前 ,这种现象一直存在 ,这一阶段就是阳极氧化阶段。在该阶段 ,电压上升很快 ,但电流变化很小。电压较低时 ,样品表面形成一层很薄的氧化膜;但随着电压的升高 ,氧化膜的溶解速度也变快 ,有时甚至会使部分基体溶解。所以应尽量缩短阳极氧化阶段。