铝合金微弧氧化工艺研究概况.docVIP

铝合金微弧氧化工艺研究概况 高成，徐晋勇，叶仿拥，蒙永祥 (1．桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004；2．广西右江矿务局，广西田东531501) 摘要：概述了铝合金微弧氧化技术原理和陶瓷膜特点，分析了电流密度、电压、脉冲频率、脉冲占空比和电解液参数对制备铝合金微弧氧化陶瓷膜的影响，介绍了铝合金微弧氧化的机理和工业应用现状，指出了铝合金微弧氧化技术的研究方向。 关键词：铝合金；微弧氧化；陶瓷膜；工艺参数 1 前言 微弧氧化技术是在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而在金属材料表面原位形成优质陶瓷膜的方法，是铝、镁、钛等轻金属表面强化处理领域的研究热点之一[1]。该技术工艺过程容易控制，操作简单，处理效率高，对环境无污染，形成的陶瓷膜具有优异的耐磨和耐蚀性能，以及较高的显微硬度和绝缘电阻[2]。铝合金微弧氧化技术大幅增强了材料的表面性能，特别适合于在高速和高接触应力环境下作为摩擦副部件的使用，在航天、航空、汽车、机械等行业中具有广阔的应用前景。 2 铝合金微弧氧化技术原理及陶瓷膜特点 微弧氧化技术是在传统阳极氧化技术上发展起来的，其本质特征是工作电压较高(超出了阳极氧化的电压范围)，从而使反应进入到一个等离子体化学和电化学综合反应的过程[3]。在这个过程中，当施加的电压超过临界击穿电压时，铝合金表面被击穿，出现大量游动的弧点，瞬间形成超高温区域(103～104 K)[4]，导致表层薄弱部位熔化甚至气化，在表面微孔放电通道内发生复杂的等离子体化学和电化学反应，形成新的氧化物。虽然局部瞬间温度很高，但由于表面受电解液的激冷作用，温度不会超过100℃，从而使熔融态的氧化物在激冷作用下沉积在基体表面，堆叠成陶瓷层[3,5]。微弧氧化形成的陶瓷膜由疏松层(主要含r-Al203)和致密层(主要含a—Al203)组成。从铝合金表面指向基体方向，由于熔融态氧化铝的冷却速率逐渐减小，使得r相氧化铝(r一Al203)的含量逐渐减少，a相氧化铝(a—Al203)的含量逐渐增多[6]。疏松层晶粒粗大，膜层表面形貌不均匀，有许多微孔，力学性能较差：致密层是微弧氧化陶瓷层的主体，结构致密，与基体的结合也十分紧密，显微硬度超过2 000 MPa，耐磨、耐蚀和绝缘性能优良。疏松层和致密层犬牙交错，没有明显的分界。 3 铝合金微弧氧化技术的工艺研究内容 3．1电源模式 最初的微弧氧化工艺采用直流恒流电源，但直流恒流电源难以控制金属表面的放电特征，所以现在较少使用。用正弦交流电进行微弧氧化，所得膜层的质量较好，但所需时间较长。目前常用的交流电源是非对称交流电源和脉冲交流电源。其中，非对称交流电源能较好地避免电极表面形成的附加极化作用，并能通过改变正、负半周输出的电容，调节正、反向电位的大小，扩大涂层形成过程的控制范围，在某些大功率情况下无需升高电压，过程易于控制及节约能源，因此得到了广泛应用[7-8]。脉冲交流电源[9]产生的脉冲电压具有“针尖”作用，使局部面积大幅下降，表面微孔相互重叠，可形成粗糙度小、厚度均匀的膜层，目前国内的微弧氧化实验研究大多使用此种电源。 3．2电参数 3．2．1 电流密度 电流密度是影响陶瓷膜生长及性能的重要参数之一，鉴于当前多以非对称交流电源和脉冲交流电源作为供电装置，以下着重讨论这2种电源模式。文献[10]叫提到，这2种电源模式的正半周期和负半周期产生的波形对陶瓷膜特性的影响差异很大，有必要分别讨论阳极电流密度ja和阴极电流密度ja对陶瓷膜的影响。在其他条件不变的情况下，随着ja的增加，陶瓷膜上的电场强度也相应地提高，同时陶瓷膜的厚度逐渐增加，生长速率加快[11-12]。在相组成方面，吴汉华等[13]研究了ja和ja对陶瓷膜的影响，结果表明，高ja制备的陶瓷膜主要含a-Al203，低ja制备的陶瓷膜主要含r-Al203，ja的增大不利于a-Al203的形成。陶瓷膜中a-Al203的含量、表面孔隙度和颗粒尺寸都取决于ja的大小。虽然高ja有利于得到a-Al203含量较高的陶瓷膜，但陶瓷膜的孔隙度和颗粒尺寸也相应地变大，使硬度分布不均匀：所以随着，a的增大，陶瓷膜硬度先增大，再减小。jcja值对陶瓷膜硬度影响的规律目前还不是很清楚，放电过程中，c对陶瓷膜表面的离子密度和种类的影响也仍在探讨阶段。另外，随着ja的增大，陶瓷膜的孔隙度和颗粒尺寸变大，表面变得更粗糙，耐磨性变差。 3．2．2 电压 目前的研究[14]表明，微弧氧化工艺能耗普遍偏高，正常工作电压在500 V左右，而起弧电压是决定稳定工作电压的重要因素，选择合适的液温、溶液成分、含量和脉冲宽度，以降低起弧电压，对实现低能耗微弧氧化工艺和提高放电均匀性都具有重要意义。单独提高正向电压或负向电压时，陶瓷膜的厚度