1 简介

铝合金由于其密度小、比强度高和导热性好的特性而为人们所熟知，并广泛用于航空、航天、军工、交通等各个工业部门，成为”轻量化”制造的理想金属材料之一。但在特定应用场合的耐高温、耐腐蚀、耐磨性、抗疲劳以及耐高温气流冲刷等性能差，难以满足应用要求，限制了铝合金的应用空间，需要对其进行适当的表面处理，方可使铝合金的优势充分显现出来。铝及其合金传统的表面处理方法包括化学镀、电镀、涂装、化学转化以及阳极氧化处理等。电镀、化学镀等工艺由于其工艺所得膜层的性能较差，且会带来环境污染，所以被淘汰的趋势已经很明显。微弧氧化(Micro-arc Oxidation)技术的问世，为轻金属表面改性方向的研究提出了一个全新的思路。通过该技术所得膜层与基体结合力强，极大地改善了铝合金的耐磨耐蚀、耐热冲击及绝缘性能，在航空、航天、机械、电子、装饰等领域有广泛的应用潜力。微弧氧化技术在铝合金表面可形成浅色度陶瓷膜及其性能研究已经比较完善，浅色陶瓷膜层难以掩盖表面的压铸流痕，并且色彩单一而极大地限制了其广泛的应用，因而现急需要在铝合金表面制备出黑色的耐蚀陶瓷膜层。若既能获取黑色陶瓷膜，又保证具有优异耐蚀性，铝合金微弧氧化技术的发展与应用将会被迅速推广，为企业界解决了难题，同时铝合金的应用范围也将大大扩展，因此研究黑色的耐蚀陶瓷膜具有一定的现实意义。

微弧氧化(MAO)是等离子体微弧氧化的简称，又称为微等离子体氧化(MPO)、阳极火花沉积(ASD)或火花放电阳极氧化(SDAO)。Al、Mg、Ti及其合金在金属氧化物电解液体系中具有电解阀门的作用，被德国学者A.贡特舒尔茨称为阀金属，当这类金属浸入电解液中，通以电流后金属表面立即生成很薄的一层氧化膜绝缘层。形成这层完整的绝缘膜是进行微弧氧化的必要条件。当样品上施加的电压超过某一临界值时，绝缘膜上某些薄弱环节被击穿，发生微弧放电现象，样品表面产生游动的弧点或火花。由于击穿总是在氧化膜相对薄弱的部位发生，当氧化物绝缘膜被击穿后，在该部位又生成了新的氧化膜，击穿点转移到其它相对薄弱的部位，导致最终形成的氧化膜是均匀的。每个电弧存在的时间很短，但等离子体放电区瞬间温度很高，T.B.Van等认为其温度可超过2000℃，W.Krysmann计算出其温度可达到8000K。在如此高的温度下，此区域内的金属及其氧化物发生熔化，使氧化物的结构发生变化。微弧氧化不同于常规阳极氧化技术，其工作电压由普通的阳极氧化法拉第区引入到高压放电区域，完全超出了传统的阳极氧化的范围。在微弧氧化的过程中，化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化同时存在，致使陶瓷氧化膜的形成过程非常复杂，至今尚无一个合理的模型全面描述陶瓷膜的形成。

2 微弧氧化工艺介绍

MAO过程通常包括4个阶段:阳极氧化阶段、火花放电阶段、PMAO阶段和熄弧阶段。

（1）阳极氧化阶段　将样品置于选定的电解液中，施加电压后，试样表面和阴极表面出现无数细小均匀的白色气泡。随着电压的增加，气泡逐渐变大变密，产生速度也逐渐增加。这一现象一直持续到击穿电压之前，此阶段称为阳极氧化阶段。在该阶段，电压上升速度快，但电流变化小。电压较低时，试样表面形成一层很薄的氧化膜，但随着电压的升高，氧化膜的溶解速度增大，当氧化膜的溶解速度高于生成速度时，会产生基体溶解现象，故应尽量缩短阳极氧化阶段。

（2）火花放电阶段　当施加的电压达到击穿电压时，试样表面开始出现细小、亮度较低的火花点。这一阶段属于火花放电阶段，试样表面开始形成不连续的PMAO膜，但膜层的生长速率很小，硬度和致密度较低，对最终形成的膜层的性能贡献不大，这一阶段的时间也不宜过长。

（3）PMAO阶段　火花放电阶段之后，随着电压的继续增加，火花逐渐增大、变亮，火花密度也增加。试样表面开始出现均匀的放电弧斑，弧斑较大、密集度较高。弧斑随电流密度的增加而变亮，伴有强烈的爆鸣声，此阶段为PMAO阶段。火花放电与PMAO阶段紧密衔接，很难明确区分。在PMAO阶段，随着时间的延长，试样表面细小密集的弧斑逐渐变大且稀疏，同时电压缓慢上升，电流逐渐下降。弧斑较密集的阶段对氧化膜的生长最有利，大部分的膜层在此阶段形成；弧斑较稀疏的阶段对氧化膜的生长贡献不大，但可提高氧化膜的致密性并降低表面粗糙度。PMAO阶段是形成陶瓷膜的主要阶段，对氧化膜的最终厚度、膜层表面质量和性能都起到决定性作用。基于该阶段在整个微弧氧化过程中的作用，在保证膜层质量的前提下，应尽量延长该阶段的持续时间。

（4）熄弧阶段　PMAO阶段末期，电压达到最大值，氧化膜的生长呈现2种趋势。一种是试样表面的弧斑越来越疏并最终消失，爆鸣声停止，表面只残存少量的细碎火花，这些火花最终也完全消失，PMAO过程随之结束，这一阶段称为熄弧阶段；另一种趋势是试样表面的弧点几乎完全消失，同时其它一个或多个部位突然出现较大的弧斑，这些弧斑明亮刺眼，长时间停滞不动，并伴随大量的气体产生，爆鸣声增强，该阶段称为弧光放电阶段。弧光放电的产生会破坏已经产生的氧化膜，严重者会导致基体的烧蚀。因此弧光放电现象不利于氧化膜的形成，实际操作过程中应尽量避免该现象的发生。

微弧氧化工艺稳定、设备简单、易操作和维护；电解液可达到环保要求，无污染；基体原位生长陶瓷膜，结合牢固、均匀致密；微弧氧化处理可一次完成，也可分几次完成。特别对于氧化膜要求很厚的产品，可以分几次氧化来完成。同时，微弧氧化工艺也存在一些不足之处，如生产过程能耗大，电解液冷却困难，生产过程中存在一定的噪声以及在高压下的用电安全等，这些都需要进一步的改进和完善。