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鋁合金微弧氧化技術研究進展


摘要:綜述了微弧氧化技術的發展和研究現狀,介紹了微弧氧化技術的原理、特點,以及陶瓷膜層的結構和性能,展望了微弧氧化技術的應用前景。

關鍵詞:鋁合金  微弧氧化  陶瓷膜層   研究進展

1、前言

鋁合金具有比重小、高比剛度、高比強度、加工性能好、易於成型、價格便宜等優點,在航空、航天、汽車、建築、電子等領域得到了廣泛的應用。隨著科技的進步和發展,一般的鋁合金材料難以滿足人們的要求,近年來,鋁合金表麵陶瓷化技術倍受人們關注,即以鋁合金材料為基體,采用有效手段在其表麵製備陶瓷膜層,使其與陶瓷材料互相複合,取長補短,製備出既有金屬強度和韌性,又有陶瓷耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等優點的複合材料,因而表麵陶瓷化技術的研究日益廣泛。

2、微弧氧化技術的發展及現狀

上世紀30年代初,國外的研究人員發現,在高電場下浸泡在液體中金屬表麵出現火花放電現象,產生的火花對氧化膜有破壞作用,在後來的研究中又發現利用此現象在有色金屬表麵可以生成具有陶瓷結構和特性的氧化膜,並應用於鎂合金的防腐上。大約從70年代開始,美國伊利諾大學和德國卡爾馬克思城工業大學等單位用直流或單向脈衝電源開始研究AlTi等閥金屬表麵火花放電沉積膜,並分別命名為陽極火花沉積和火花放電陽極氧化。1977,俄羅斯科學院無機化學研究所的研究人員采用交流電壓模式,使用電壓比火花放電陽極氧化高,並稱之為微弧氧化。自80年代,德國研究人員利用火花放電在純鋁表麵獲得含α-Al2O3的硬質氧化膜層以來,微弧氧化技術得到很大發展。進入90年代以來,美、德、俄、日等國加快了微弧氧化或火花放電陽極氧化技術的研究開發工作,該技術已引起許多研究者的關注,正成為國際材料科學研究熱點之一。

3、微弧氧化技術的原理和特點

3.1 基本原理

微弧氧化是一種采用高電壓(大於250V)、大電流對有色金屬材料進行表麵處理,直接在其表麵原位生長陶瓷層的新技術。它是近十幾年在陽極氧化基礎上發展起來的,但兩者在機理、工藝及膜層性質上有許多區別。其原理是:AlMgTi等有色金屬或合金做作為陽極置於電解質水溶液中,利用電化學方法在材料表麵微孔中產生火花放電斑點,在熱化學、等離子體化學和電化學的共同作用下,生成陶瓷膜層的方法。

3.2 技術特點

等離子體微弧氧化技術的工藝特點是:1)工藝簡單;2)效率高,依據不同性能要求處理時間為7-20min;3)無汙染,采用的電解液對生態環境無汙染;4)處理能力強,對異形零件、孔洞、焊縫的可加工能力強於其他表麵陶瓷化工藝;(5)工藝成本低,由於可以合理控製化學反應速度、外來相沉積速率及反應燒結的能量,製備相同性能陶瓷層的工藝成本大大低於陽極氧化技術;6)工藝重現性好,對陶瓷塗層性能影響因素少且對控製精度要求低。

4、微弧氧化陶瓷膜層的組織與性能

4.1 陶瓷膜層的組織結構

鋁合金表麵微弧氧化的產物是一種多孔狀、與基體結合牢固、具有陶瓷特征的氧化物。陶瓷膜層可分為兩層結構,外部的疏鬆層和內部的致密層。外部疏鬆層顏色較亮,由較大陶瓷顆粒組成,在砂紙上容易磨掉最粗糙部分,殘留部分存在較大孔洞,內部致密層與疏鬆層界麵呈犬牙交錯,且與鋁基體結合良好。膜層中陶瓷相粒子是在鋁基體上直接生長起來的,膜層和基體直接在離子鍵的作用下結合在一起的,由於等離子體弧光放電的高密度能量使基體表麵微區內形成熔融區,使陶瓷層與基體間形成微區冶金結合,提高膜層與基體間的結合強度。

研究表明,陶瓷膜層主要由α-Al2O3γ-Al2O3組成,從外層到內層γ-Al2O3相含量逐漸減少,α-Al2O3逐漸增加。在內層α-Al2O3的含量高達50%以上,並與γ-Al2O3有機結合在一起,使得陶瓷層硬度很高,耐磨性能優異。

4.2 陶瓷膜層的性能

研究表明,微弧氧化陶瓷膜具有卓越的性能。該膜層硬度、耐磨、耐蝕等性能與傳統的方法相比都有了較大的提高。

陶瓷膜層的最大厚度可達300μm,致密層中的顯微硬度大於1500Hv,極值點硬度可達2300Hv。利用顯微力學探針分析,從陶瓷層的表麵到內部,硬度和彈性模量逐漸增加,在內層達到最大值,分別是15GPa250GPa。微弧氧化陶瓷層具有與硬質合金相當的耐磨性能,優於鋁合金表麵鍍硬Cr塗層,在一定的壓力載荷範圍內,陶瓷層具有3.4-4.3μm/行程的耐磨性能,優於等離子噴塗陶瓷塗層的耐磨性能(15-20μm/行程),陶瓷層的劃痕臨界載荷為40N(鍍硬Cr塗層為18N),耐鹽霧腐蝕壽命大於2000h

5、結語及展望

鋁合金經微弧氧化處理後,材料表麵的硬度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能有很大提高。此技術的發展及應用拓寬了鋁合金的適用範圍。由於等離子體微弧氧化技術具有工藝簡單、處理效率高、工藝成本低、無汙染等特點,所製得的陶瓷膜除具有一般結構陶瓷塗層的耐磨、耐蝕、耐高溫等優異特點外,還可以根據不同的性能要求,製備出具有裝飾、磁電屏蔽、電絕緣等功能性膜層。因此該技術已成為國際材料研究的熱點之一,在航空、航天、建築、紡織、電子工業等領域具有廣闊的應用前景。該技術的推廣應用一定會推動我國表麵處理行業、輕合金加工製造行業及相關行業的技術進步。

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