楊鈿，周隆先

（總裝備部重慶軍事代表局，重慶 400060）

微弧氧化技術(shù)是在傳統(tǒng)的液相電化學(xué)氧化反應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它將工作區(qū)域引入到高壓放電區(qū)域，使金屬表面處在微弧形成的等離子體高溫（約3000 K）、高壓（20～50MPa）作用下，在金屬表面原位生成堅(jiān)硬、致密的陶瓷氧化膜，如鋁合金表面微弧氧化膜主要由α-Al2O3，γ-Al2O3相組成，所得的氧化膜硬度高、與基體結(jié)合牢固、結(jié)構(gòu)致密，大大提高了有色金屬的耐磨損、耐腐蝕、抗高溫沖擊及電特性等多種性能[1—5]。

通過對(duì)不同牌號(hào)的鋁合金進(jìn)行微弧氧化處理，了解并掌握了鋁合金微弧氧化技術(shù)的工藝特點(diǎn)，包括設(shè)備性能特點(diǎn)、溶液體系、處理參數(shù)等；并通過各種檢測(cè)手段測(cè)定了鋁合金微弧氧化膜層的性能指標(biāo)，提升了產(chǎn)品的三防性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料選擇

日常使用的鋁合金結(jié)構(gòu)件材料主要有LY12，LD31，LF6，LF21。本研究的對(duì)象為上述四種鋁合金，同時(shí)對(duì)LY12硬質(zhì)陽極氧化樣件進(jìn)行了對(duì)比分析。

1.2 處理參數(shù)

微弧氧化和硬質(zhì)陽極氧化工藝特點(diǎn)比較見表1。

表1 微弧氧化和硬質(zhì)陽極氧化工藝比較Table 1 Processcomparison ofMicro Arc Oxidation and Hard Anodic Oxidation

微弧氧化設(shè)備采用北京師范大學(xué)研制的型號(hào)為WHYH-40設(shè)備，功率為40 kW。設(shè)備外觀及氧化過程如圖1所示。從圖1b中可見，在氧化過程中，工件表面產(chǎn)生弧光，形成等離子體微弧。

圖1 WHYH-40微弧氧化設(shè)備Fig.1 EquipmentofWHYH-40Micro Arc Oxidation

微弧氧化設(shè)備采用雙極性大功率脈沖電源，正負(fù)電壓可獨(dú)立調(diào)節(jié)，氧化溶液采用硅酸鹽堿性溶液體系。不同牌號(hào)鋁合金的微弧氧化處理參數(shù)及膜層厚度見表2，用于對(duì)比的LY12硬質(zhì)陽極氧化樣件膜層厚度約為50μm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膜層形貌及成分分析

鋁合金微弧氧化膜層呈灰白色，隨基體型號(hào)及膜層厚度略有差別，如圖2a所示。微弧氧化膜層分為疏松層和致密層，如圖2b所示。

由圖2b可見，微弧氧化膜層的疏松層有許多孔洞，這是在氧化過程中微弧放電形成的熔融坑急速冷卻后形成的，而致密層則孔洞很少。

表2 微弧氧化處理參數(shù)Table 2 ParametersofMicro Arc Oxidation

圖2 微弧氧化膜層形貌Fig.2 Morphology of theMicro Arc Oxidation film

經(jīng)過X射線衍射分析可知，微弧氧化膜層主要由α-Al2O3，γ-Al2O3相組成。從已有的研究可知，氧化膜疏松層中含γ-Al2O3相較多，而致密層中含α-Al2O3相較多。γ-Al2O3相屬于亞穩(wěn)態(tài)氧化鋁相，其硬度低于熱力學(xué)穩(wěn)定相——α-Al2O3相。

2.2 氧化膜硬度及耐磨性能分析

從鋁合金微弧氧化膜膜層形貌及成分分析可知，氧化膜由外層多孔疏松層及內(nèi)層致密層組成。氧化膜疏松層中含γ-Al2O3相較多，而致密層中含α-Al2O3相較多。γ-Al2O3相硬度低于α-Al2O3相。正是由于疏松層多孔且γ-Al2O3相較多，因而其硬度及耐磨性能遠(yuǎn)低于致密層。因此，本研究?jī)H分析了微弧氧化氧化膜致密層的硬度及耐磨性能。

硬度測(cè)試分析儀器為HX-1型顯微硬度計(jì)。樣品硬度測(cè)量結(jié)果見表3。由表3可見，微弧氧化膜致密層硬度遠(yuǎn)高于基體硬度，也遠(yuǎn)高于硬質(zhì)陽極氧化膜。

表3 樣品硬度測(cè)量Table3 Hardnessof the samples

鋁合金基體和微弧氧化膜致密層摩擦磨損測(cè)試分析后的表面形貌如圖3所示。

圖3 摩擦磨損測(cè)試分析后的樣品表面形貌Fig.3 Surface topography of samples which were subjected to friction andwear

摩擦磨損測(cè)量結(jié)果見表4。由表4可知，微弧氧化膜致密層在測(cè)試參數(shù)（負(fù)載和轉(zhuǎn)速）遠(yuǎn)高于鋁基體和硬質(zhì)陽極氧化膜測(cè)試參數(shù)的條件下，磨損速率仍遠(yuǎn)低于鋁基體和硬質(zhì)陽極氧化膜。這表明微弧氧化膜致密層耐磨損性能優(yōu)于鋁基體和硬質(zhì)陽極氧化膜。

2.3 氧化膜耐腐蝕性能分析

本研究通過電化學(xué)測(cè)試分析和中性鹽霧試驗(yàn)兩種方法來檢驗(yàn)鋁合金微弧氧化膜層的耐腐蝕性能。

2.3.1 電化學(xué)測(cè)試分析

電化學(xué)測(cè)試分析儀器型號(hào)為CS300電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。通過電化學(xué)測(cè)試可以獲得材料的腐蝕電位和腐蝕電流，通過分析腐蝕電位和腐蝕電流來判斷材料的耐腐蝕性能。圖4為L(zhǎng)D31微弧氧化樣品與鋁基體電化學(xué)曲線的比較，其中橫坐標(biāo)為腐蝕電流密度，縱坐標(biāo)為腐蝕電位。

表4 摩擦磨損測(cè)試分析數(shù)據(jù)Table4 Dataanalysisof the friction andwear test

圖4 電化學(xué)曲線Fig.4 Electrochemicalcurve

樣品電化學(xué)測(cè)試分析見表5。由表5可見，表面氧化樣品的腐蝕電流與腐蝕電位較鋁基體和硬質(zhì)陽極氧化膜有較大降低，耐腐蝕性能得到改善。

表5 電化學(xué)測(cè)試分析數(shù)據(jù)Table5 Dataanalysisof theelectrochemical test

2.3.2 鹽霧試驗(yàn)

中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室的鹽霧試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果見表6。鹽霧試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)為GJB 150.11A—2009“軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法——鹽霧試驗(yàn)”。

表6 鹽霧試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果Table6 Testing resultof the saltspray test

鹽霧試驗(yàn)后樣品外觀如圖5所示。

圖5 鹽霧試驗(yàn)后樣品外觀Fig.5 Fa?ade ofsamplesafter the saltspray test

2.3.3 濕熱試驗(yàn)

濕熱試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果見表7。濕熱試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)為GJB 150.9A—2009“軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法——濕熱試驗(yàn)”。

濕熱試驗(yàn)條件參數(shù)為：高溫高濕階段60℃，相對(duì)適度95%；低溫高濕階段30℃，相對(duì)適度95%；試驗(yàn)周期數(shù)：10個(gè)周期（1周期為24 h）。

表7 濕熱試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果Table 7 Testing resultof the damp heat test

濕熱試驗(yàn)后樣品外觀如圖6所示。

圖6 濕熱試驗(yàn)后樣品外觀Fig.6 Fa?adeofsamplesafter the damp heat test

3 結(jié)論

通過研究不同牌號(hào)鋁合金的微弧氧化處理參數(shù)、工藝方法以及氧化膜層的性能指標(biāo)，得出以下結(jié)論：

1）微弧氧化工藝所采用的氧化液為硅酸鹽堿性溶液體系，正電壓500～530 V，負(fù)電壓160～200 V。溶液溫度以室溫為宜，溫度變化范圍較寬，微弧氧化工藝流程簡(jiǎn)單；

2）微弧氧化膜層達(dá)到了以下技術(shù)指標(biāo)：氧化膜層厚度20～120μm；氧化膜致密層硬度（HV）＞900；致密層耐磨，磨損率＜10-4mm3/（N·m）；鹽霧試驗(yàn)時(shí)間＞96 h；濕熱試驗(yàn)時(shí)間＞10個(gè)周期；

3）微弧氧化技術(shù)與陽極氧化技術(shù)相比，工藝流程較簡(jiǎn)單，條件要求較寬松，膜層性能優(yōu)于陽極氧化膜。

[1] 辛鐵柱，趙萬生，劉晉春，等.鋁合金微弧氧化過程的特性研究及機(jī)理分析[J].表面技術(shù)，2006，35（2）：14—15. XIN Tie-zhu，ZHAO Wan-sheng，LIU Jin-chun，etc.The Characteristics Research and Mechanism Analysis in Aluminum MAO Process[J].Surface Technology，2006，35（2）：14—15.

[2]薛文彬，鄧志威，來永春，等.鋁合金微弧氧化陶瓷膜的相分布及其形成[J].材料研究學(xué)報(bào)，1997，11（4）：169—171. XUEWen-bin，DENG Zhi-wei，LAIYong-chun，etc.The Facies Distribution and Formation of Aluminum MAO Ceramic Coating[J].Materials Research Journal，1997，11（4）：169—171.

[3]薛文彬，來永春，鄧志威，等.鋁合金微弧氧化膜的形成與特性[J].電鍍與精飾，1996，18（5）：3—5. XUEWen-bin，LAIYong-chun，DENG Zhi-wei，etc.The Formation and Characteristics of Aluminum MAO Film[J]. Platingand Finishing，1996，18（5）：3—5.

[4] 薛文彬，鄧志威，來永春，等.鋁合金微弧氧化陶瓷膜的形貌及相組成分析[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1996，32（1）：67—70. XUEWen-bin，DENG Zhi-wei，LAIYong-chun，etc.The Morphology and Phase Composition Analysis of Aluminum MAO Ceramic Coating，Beijing Normal University Journal（NaturalScience Edition）[J].1996，32（1）：67—70.

[5] 胡正前，馬晉.硅酸鹽電解液中鋁合金微弧氧化陶瓷膜層的結(jié)構(gòu)與性能[J].金屬熱處理，2003，28（3）：23—26. HU Zheng-qian，MA Jin.The Structure and Properties of Aluminum MAO Ceramic Coating in Silicate Electrolyte[J]. HeatTreatmentofMetals，2003，28（3）：23—26.