鋁合金微弧氧化膜的制備與性能研究

鋁合金微弧氧化膜的制備與性能研究

1等離子體微弧氧化隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)研究的發(fā)展，陶瓷材料已成為繼金屬和高技術(shù)材料之后的重要工程材料。但是由于整體陶瓷材料的脆性大,可加工性差,一直束縛其廣泛應(yīng)用。在金屬及其合金表面實(shí)施陶瓷化涂層,可以在保證原金屬材料使用性能的前提下,同時賦予材料表面以特殊性能,拓寬其適用范圍。所以,為提高材料的綜合性能,人們常采用表面改性的方法,等離子體微弧氧化技術(shù)便是一種在金屬表面進(jìn)行陶瓷化改性處理的新方法。等離子體微弧氧化簡稱微弧氧化(MAO),又稱為微等離子體氧化(MPO)、陽極火花沉積(ASD)或火花放電陽極氧化(ANOF),還有人稱之為等離子體增強(qiáng)電化學(xué)表面陶瓷化(PECC)。該技術(shù)是最近十幾年在陽極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,但兩者在機(jī)理上、工藝上以及膜層性能上都有許多不同之處。所謂微弧氧化就是將鋁、鎂、鈦等金屬或其合金置于電解質(zhì)水溶液中,利用電化學(xué)方法,在該材料的表面微孔中產(chǎn)生火花放電斑點(diǎn),在熱化學(xué)、等離子體化學(xué)和電化學(xué)的共同作用下,生成陶瓷膜層的方法。與傳統(tǒng)的陽極氧化法相比,微弧氧化陶瓷膜與基體結(jié)合牢固,結(jié)構(gòu)致密,具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫沖擊和電絕緣等特性,具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,總體上看,俄羅斯在微弧氧化技術(shù)研究規(guī)模和水平上占據(jù)優(yōu)勢,美國、德國等國家在該技術(shù)的研究及應(yīng)用上也有較高的水平。我國從90年代開始關(guān)注此技術(shù),但目前仍處于起步階段。國內(nèi)研究此技術(shù)的單位主要有北京師范大學(xué)、北京航空材料研究院和青島化工學(xué)院等。北京師范大學(xué)低能核物理研究所在這方面的研究工作較為系統(tǒng),他們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)用等都做了有益的探討。6063鋁合金易于加工成型,在鑄造、建筑等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用,但也存在著硬度不高等不足,限制了它的應(yīng)用范圍與產(chǎn)品性能,通過微弧氧化進(jìn)行表面處理,能夠提高其硬度等性能,進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用,本文正是基于此點(diǎn),對6063鋁合金微弧氧化性能進(jìn)行了研究。2微弧氧化微弧氧化制備陶瓷膜工藝比較簡單,本實(shí)驗(yàn)采用6063鋁合金(組成見表1),樣品為30mm×30mm×5mm的正方形薄片,經(jīng)磨制、無水乙醇及丙酮超聲波清洗,然后采用磷酸鹽堿性微弧氧化溶液體系進(jìn)行微弧氧化(微弧氧化工藝參數(shù)見表2),去離子水清洗、干燥,并進(jìn)行X射線(XRD)分析實(shí)驗(yàn)、顯微分析實(shí)驗(yàn)與硬度測試實(shí)驗(yàn)。3結(jié)果與討論3.1陶瓷相的生成試樣經(jīng)過XRD實(shí)驗(yàn)獲得的衍射圖譜見圖1。圖1為樣品微弧氧化層的X射線衍射圖譜。由圖可以看出膜層絕大多數(shù)成分為α-Al2O3,相對強(qiáng)度大的峰值基本上都是α-Al2O3,而γ-Al2O3僅占有少數(shù)幾個相對不是很強(qiáng)的峰值;根據(jù)相對強(qiáng)度可以算出α-Al2O3約占到陶瓷膜成分的80%。氧化鋁的穩(wěn)定晶相為六邊形的α-Al2O3,γ-Al2O3則為亞穩(wěn)定相。氧化鋁從水溶液中結(jié)晶或者水合氧化鋁(比如Al2O3·H2O)結(jié)晶時生成γ相氧化鋁,如果溫度高達(dá)1000℃以上,不穩(wěn)定的γ-Al2O3將轉(zhuǎn)化為α-Al2O3。剛玉結(jié)構(gòu)的α相的出現(xiàn),不但說明了微弧放電區(qū)等離子體的溫度非常高,超過1000℃;而且致使陶瓷氧化膜硬度有了較大提高。由于微弧氧化時間較長,γ相到α相的轉(zhuǎn)化比較完全,樣品表面的陶瓷層基本上為α-Al2O3,而γ-Al2O3比較少。也正因如此,得到了較厚的氧化膜,所以衍射圖譜上看不到基體鋁的衍射峰。3.2微弧氧化膜事工膜的表面形貌圖2為樣品微弧氧化層橫截面顯微圖。圖中(1)為基體鋁合金,(2)為氧化膜層,(3)為鑲嵌樣品所用的環(huán)氧樹脂。可以清晰地看到,基體和氧化層之間的界面犬牙交錯,并不光滑,說明氧化膜和基體結(jié)合良好。微弧氧化膜靠近基體/膜界面處的氧化膜較為致密均勻(A),這是因?yàn)槲⒒⊙趸跏茧A段,膜層較薄,微弧放電導(dǎo)致的放電通道細(xì)小均勻,而隨著氧化過程的進(jìn)行,膜層不斷增厚,放電通道減少,電壓逐漸增大,導(dǎo)致外層放電通道冷卻凝固留下微孔孔徑較大,表面比較粗糙(B,C)。根據(jù)圖2可以測算出微弧氧化膜的平均厚度為100μm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陽極氧化得到的氧化膜的厚度。3.3硬度測試3.3.1果平均值用納米壓入硬度儀對樣品截面處進(jìn)行測試得到表3的測試結(jié)果(平均值)。從表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),微弧氧化膜的硬度和彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體鋁合金的硬度和彈性模量,微弧氧化膜的硬度和彈性模量在基體鋁合金的基礎(chǔ)上有了很大的提高。3.3.2微弧氧化膜的彈性6063鋁合金基體鋁的載荷-壓深曲線見圖3。加載曲線比較緩和,說明基體鋁的組織比較均勻。卸載曲線很陡,說明鋁的彈性很低。觀察6063鋁合金微弧氧化膜載荷-壓深曲線可以發(fā)現(xiàn),加載曲線起始部分較為緩和,之后的斜率逐漸增大,曲線變陡,這是由于膜層由致密層和疏松層組成之緣故。而卸載曲線較為平緩,說明氧化膜的彈性較好。比較基體和氧化膜的載荷-壓深曲線可以發(fā)現(xiàn),氧化膜的彈性遠(yuǎn)比基體的彈性要好,這與3.3.1中得到的數(shù)據(jù)相符合。4微弧氧化的金相和硬度(1)根據(jù)X射線衍射的結(jié)果,樣品得到的氧化膜層有80%以上為α-Al2O3,γ-Al2O3的含量僅占20%左右,這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)采取的微弧氧化工藝時間較長,在微弧氧化過程中γ-Al2O3大部分轉(zhuǎn)化成α-Al2O3,α相的出現(xiàn)說明微弧氧化的溫度非常高,可以達(dá)到1000℃以上。(2)在金相觀察中發(fā)現(xiàn),膜/基體的界面并不光滑,結(jié)合得比較好,這可以證明微弧氧化陶瓷膜是在基體上原位生長而成的。在金相照片中可以測出樣品的微弧氧化膜的平均厚度為100μm。(3)樣品的納米壓入硬度測試結(jié)果顯示,微弧氧化膜的硬度和彈性模量在基體鋁合金的基礎(chǔ)上有了很大