铝合金微弧氧化工艺研究

【摘要】： 铝及其合金在工业上的应用越来越广泛，但铝及其合金的表面硬度低，耐磨损性能差，对卤化物溶液和无机酸等溶液的耐腐蚀性差，制约了铝合金的应用。可以通过表面涂装、热喷涂、气相沉积、电镀、化学转化膜、电化学氧化等表面处理方法对铝合金表面进行处理，提高铝合金表面性能，其中较常用的是电化学氧化方法中的阳极氧化工艺。阳极氧化工艺基本原理是，将铝或铝合金在碱性或酸性电解液中作为阳极进行电化学氧化，获得具有良好机械性能及耐腐蚀性能的氧化膜。氧化膜主要由无定形氧化物组成。 微弧氧化工艺又称为微等离子体氧化工艺或阳极火花沉积工艺，是在阳极氧化工艺基础上发展而来的新兴表面处理工艺。这是一种在轻合金表面通过微等离子体放电，进行复杂的电化学、等离子化学和热化学过程原位生长氧化物陶瓷膜层的新工艺。微弧氧化工艺生成的陶瓷氧化膜厚度可达200～300μm，显微硬度最高可达HV2000以上，极大提高了铝合金的应用范围。 本文通过一系列以交流电为电源的铝合金微弧氧化工艺实验，研究微弧氧化过程中陶瓷氧化膜层的生长规律，不同电解质组成和浓度对陶瓷氧化膜生长的影响，以及微弧氧化过程中电极间电压、试样表面电流密度及微弧氧化时间等工艺参数对陶瓷氧化膜生长的影响。采用扫描电镜(SEM)及X射线衍射相结构分析(XRD)对陶瓷氧化膜微观形貌及膜层结构进行分析，对陶瓷氧化膜的厚度、显微硬度、耐热冲击性、耐腐蚀性及抗外力冲击能力进行了测试。 SEM分析表明，陶瓷氧化膜层由疏松层和致密层构成，致密层约为整个膜层厚度的2／3。XRD分析表明陶瓷氧化膜中含有γ-Al_2O_3和α-Al_2O_3晶相成分，其中α-Al_2O_3相随氧化时间增多。试样经微弧氧化处理后，再进行500℃×60min的热处理，可以使陶瓷氧化膜中非晶相向γ-Al_2O_3相转变。 陶瓷氧化膜性能测试表明氧化膜具有良好的抗热冲击性，经过10次600℃-25℃激热-激冷冲击，氧化膜表面无裂纹；氧化膜耐腐蚀性也很好，在20℃的10％NaCl溶液，10％HCl溶液，10％NaOH溶液中浸蚀72小时，试样在分析天平测量范围内无失重。陶瓷氧化膜上的孔隙降低表面防腐蚀能力，对孔隙封闭处理后可大幅提高腐蚀防护能力。其抗外力冲击能力也较强，但铝合金基体的机械性能制约了氧化膜的抗外力冲击能力。陶瓷氧化膜的显微硬度达HV1800。 武汉理工大学研究生硕_l:学位论文 实验表明，陶瓷氧化膜层的生长过程可分为六个步骤:1.表而 阻挡层的生成，即微弧氧化初始阶段试样表面会很快形成一层致 密的无定形氧化膜;2.阻挡层的电击穿。升高电极间电压，使阻挡 层电击穿，产生火花放电;3.无定型氧化膜层的生长。电极间电压 及试样表面电流密度较低时，火花放电较弱，陶瓷氧化物形成较 少，主要是无定形氧化膜的生长;4.局部陶瓷氧化膜层的形成。即 无定形氧化膜在微等离子体放电产生的微区高温高压作用下瞬间 融化，又在电解液作用下迅速凝固，晶化为含有Y一A12O3和“一A12伪 晶相成分的晶型陶瓷氧化物颗粒，陶瓷氧化物颗粒不断一长大，与 邻近的陶瓷氧化物颗粒互相烧溶连接，形成局部陶瓷氧化膜;5. 陶瓷氧化膜的电击。即电极间电压及试样表面电流密度增高，使 陶瓷氧化膜电击穿;6.陶瓷氧化膜层的生长，陶瓷氧化膜增厚，等 离子体放电发生在氧化膜的放电孔隙中，熔融氧化物从孔隙喷出 瞬间凝固，陶瓷氧化膜不断生长。 实验表明，电解液的性质是微弧氧化工艺中关键的因素。电 解液中电解质的组成和浓度对微弧氧化的电参数有直接影响。不 同电解质组成的电解液，微弧氧化的起弧电压不同，对试样表面 电流密度的影响也不同。电解液浓度升高，起弧电压下降，电极 表面电流密度上升。 实验表明，电解液的温度、电极表面积以及电解液在电解槽 中的截面积都对微弧氧化过程电参数有影响。电解液温度上升， 试样表面电流密度增大，电解液对氧化膜的溶解速度也增大，电 解液温度升高总的效果是对氧化膜的生长和膜层的厚度与性能造 成不利影响:电极表面积增大会使试样表面电流密度减小，起弧 电压升高;电解液在电解槽中的截面积增大相对提高了电解液中 的传质效率，使试样表面电流密度增大。试样的外形对氧化膜膜 层的均匀性有影响，圆柱形试样上氧化膜的均匀性比方形试样好。 实验表明，氧化膜的溶解速度对陶瓷氧化膜的生长有重要影 响。微弧氧化陶瓷膜的形成过程是:氧化膜的生成与溶解交替发 生，生成速率大于溶解速率的过程。在一定条件下，适当增大膜 层的溶解速率可以增快膜层的生长。不同电解质组成电解液对氧 化膜的溶解能力不同，配制电解液时，可以通过加入具有不同溶 解速度的电解质来控制电解液对氧化膜的溶解速度，使氧化膜的 生长速度提高，膜层厚度增大，以获得最佳成膜效率。实验中在 39/1的NaZsio3加49八的KoH加109/l的H3Bo3电解液中进行的 微弧氧化实验取得了较好结果，在较短的氧化时间内获得了较厚 的陶瓷氧化膜层。 Z 武汉理工大学研究生硕卜学位论文 的陶瓷氧化膜层。 实验表明，提高电解液的浓度可提高陶瓷氧化膜