張彥濤

微弧氧化是一種在金屬表面原位生長陶瓷膜的表面處理技術(shù)，可大幅提高鋁合金表面耐磨性及耐蝕性。本文闡述了鋁合金微弧氧化技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用概況，以及微弧氧化技術(shù)的發(fā)展趨勢。

微弧氧化技術(shù)又稱微等離子體氧化、火花放電陽極氧化。它是將鋁，鎂，鈦等有色金屬及其合金，在適當(dāng)?shù)碾妳?shù)條件下使其與電解液中的溶質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，最終在金屬表面生成了具有一定厚度的陶瓷膜。利用該技術(shù)在鋁及其合金上生長一層Al2O3陶瓷膜，該陶瓷膜具有良好的耐磨、耐蝕性，而且可通過改變電參數(shù)和電解液等得到不同性能、不同顏色的陶瓷膜。

鋁合金微弧氧化過程

微弧氧化過程中具有等離子體放電通道的高溫高壓及電解液溫度低的特點(diǎn)，在此極限條件下的反應(yīng)過程可賦予陶瓷膜層其它技術(shù)難以獲得的優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕等性能，同時使鋁合金基體的保持原有性能。液相中參與反應(yīng)并形成陶瓷膜的粒子在電場力的作用下傳輸?shù)交w附近的空間參與成膜，陶瓷膜層的厚度、組成、結(jié)構(gòu)可以通過電源電參數(shù)和改變電解液組成進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷膜層的設(shè)計(jì)與構(gòu)造。微弧氧化過程一般可以分為以下四個階段：

普通陽極氧化階段：在氧化初期，樣品表面顏色變暗，形成一層較在電流密度恒定的條件下，電壓迅速升高。該階段形成的阻擋層是后續(xù)階段產(chǎn)生火花放電的必要條件。

微弧氧化階段：隨著電壓的不斷升高，在氧化膜層的相對薄弱的地方將會被擊穿，在樣品表面能夠觀察到火花放電現(xiàn)象。這些火花較小，但密度很大（約為105個/cm2），它在樣品表面形成了大量的等離子微區(qū)。這些熔融物與電解液發(fā)生反應(yīng)，并被溶液冷卻形成Al2O3，從而使這一區(qū)域的膜相應(yīng)地增厚。

微弧氧化和弧放電共存階段：該階段樣品表面開始出現(xiàn)較大的紅色放電弧斑，它是由某些部位經(jīng)過多次放電后，使得原來較小的放電通道彼此相連而形成較大的放電氣孔。在這一階段可以觀察到電壓緩慢下降。

弧放電階段至反應(yīng)結(jié)束隨著薄膜的增厚，紅色放電弧斑逐漸減少，電壓迅速上升。最終在樣品表面形成具有內(nèi)部致密層和外部疏松層的雙層結(jié)構(gòu)。

鋁合金微弧氧化技術(shù)特點(diǎn)

微弧氧化是在傳統(tǒng)陽極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，但與陽極氧化相比較，具有其優(yōu)越的特點(diǎn)：

微弧氧化電解溶液以堿性電解液為主，環(huán)境污染小，而陽極氧化為酸性電解液，環(huán)境污染大；在基體表面原位生長陶瓷膜，陶瓷膜致密均勻，膜層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，而陽極氧化膜層比較脆，柔韌性差；良好的耐磨損性，耐熱性及抗腐蝕性，一般不需要后處理化學(xué)封孔，而陽極氧化膜層耐磨性、耐蝕性較差。良好的絕緣性能，電阻可達(dá)100M ；能大幅度提高鋁合金材料的表面硬度，顯微硬度一般在100～2000HV的范圍內(nèi)，最高可達(dá)3000HV，陽極氧化的最大硬度僅為500HV；通過改變工藝條件和電解液組分或添加膠體微粒等可實(shí)現(xiàn)陶瓷膜層的功能化，調(diào)整膜層的微觀結(jié)構(gòu)及膜層厚度。

總之，微弧氧化技術(shù)屬于環(huán)境友好型技術(shù)，工藝簡便，受工件形狀影響比較小，與電鍍、陽極氧化等表面改性技術(shù)相比，具有工序簡單、效率高、生成的膜層性能良好等優(yōu)點(diǎn)。

鋁合金微弧氧化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，俄、美、日等世界發(fā)達(dá)國家在微弧氧化成膜性能、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面投入了大量的研究工作。我國研究微弧氧化技術(shù)開始從于20世紀(jì)90年代，研究起步較晚，同時微弧氧化主要集中在實(shí)驗(yàn)過程上，理論研究相對滯后。近年來相關(guān)科研院所通過深入研究微弧氧化技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。主要研究機(jī)構(gòu)為北京師范大學(xué)低能核物理研究所，對鋁合金微弧氧化陶瓷層的制備過程、能量交換、膜的形貌結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用等都進(jìn)行了有益的探索，哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院采用等離子增強(qiáng)電化學(xué)表面處理技術(shù)（PECC）對鋁合金表面陶瓷化處理，研究陶瓷膜層成膜過程和成膜機(jī)制，哈爾濱三利亞有限公司由試驗(yàn)階段開始轉(zhuǎn)向小批量生產(chǎn)，還有北京航空材料研究院、西安理工大學(xué)、湖南大學(xué)、北京礦冶研究總院等單位參與此技術(shù)的研究。

近年來在鋁、鈦及鎂合金微弧氧化的應(yīng)用開發(fā)方面有很大的進(jìn)步，如蔣百靈等對鋁、鎂合金微弧氧化設(shè)備及工藝技術(shù)的研究開發(fā)，并在許多領(lǐng)域有所應(yīng)用。例如一汽紅旗世紀(jì)星轎車發(fā)動機(jī)殼體、鎂合金高壓熱水交換管、鎂合金輪轂、鋁合金微型沖鋒槍托架、鋁合金發(fā)動機(jī)缸體、柴油發(fā)動機(jī)活塞的表面處理均采用微弧氧化技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，其成本只有硬質(zhì)陽極氧化和電鍍硬鉻的1/3～1/4。深圳法蘭士公司的超硬鋁構(gòu)件、深圳佳馳油泵蓋以及某顯微鏡公司的載物小平臺也在使用國產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行微弧氧化，產(chǎn)品的耐磨性能較硬質(zhì)陽極氧化膜提高了35%，并已經(jīng)開始批量化生產(chǎn)。相關(guān)企業(yè)都在積極地推廣或應(yīng)用微弧氧化技術(shù)。

微弧氧化技術(shù)的發(fā)展趨勢

將微弧氧化技術(shù)應(yīng)用在鋁合金表面改性中，可制備出高硬度、高結(jié)合強(qiáng)度的陶瓷膜層，能使鋁合金原有的耐磨性差的問題得到大幅度提高，可解決鋁合金耐磨性差的問題，并且改善與提高鋁合金的耐腐蝕性。隨著人們對微弧氧化技術(shù)的不斷探索以及該技術(shù)日益表現(xiàn)出的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，微弧氧化技術(shù)在金屬表面改性技術(shù)領(lǐng)域展示了更為廣泛的應(yīng)用前景，預(yù)計(jì)其發(fā)展趨勢有以下幾個方面：

微弧氧化電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)：微弧氧化的合適放電區(qū)間較窄，要求對放電后的電參數(shù)控制比較精確，大電流、高電壓對供電電源提出了高要求，由于對微弧氧化本質(zhì)認(rèn)識限制，使得電源的設(shè)計(jì)及制造仍停留在經(jīng)驗(yàn)摸索層面上，帶有很大的盲目性。

電解液的合理開發(fā)及選擇：缺乏對單組分電解液及反應(yīng)機(jī)理的深入研究，電解液的選擇停留在經(jīng)驗(yàn)摸索上，難以與微弧氧化電源的合理銜接，進(jìn)行陶瓷膜層的構(gòu)造設(shè)計(jì)。

提高微弧氧化效率：電源消耗的能耗中用到膜層生長的大約為10～30%之間，提高微弧氧化效率也是微弧氧化技術(shù)得已推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，還存在電解液冷卻困難，消除噪聲等問題。

微弧氧化陶瓷膜著色工藝：目前對制備顏色均勻的微弧氧化陶瓷膜的研究重視不夠，一步方法完成特定顏色性能良好的陶瓷膜較為困難。