铝合金微弧氧化膜的制备与性能研究

铝合金微弧氧化膜的制备与性能研究

1等离子体微弧氧化随着现代工业和科学研究的发展，陶瓷材料已成为继金属和高技术材料之后的重要工程材料。但是由于整体陶瓷材料的脆性大,可加工性差,一直束缚其广泛应用。在金属及其合金表面实施陶瓷化涂层,可以在保证原金属材料使用性能的前提下,同时赋予材料表面以特殊性能,拓宽其适用范围。所以,为提高材料的综合性能,人们常采用表面改性的方法,等离子体微弧氧化技术便是一种在金属表面进行陶瓷化改性处理的新方法。等离子体微弧氧化简称微弧氧化(MAO),又称为微等离子体氧化(MPO)、阳极火花沉积(ASD)或火花放电阳极氧化(ANOF),还有人称之为等离子体增强电化学表面陶瓷化(PECC)。该技术是最近十几年在阳极氧化基础上发展起来的,但两者在机理上、工艺上以及膜层性能上都有许多不同之处。所谓微弧氧化就是将铝、镁、钛等金属或其合金置于电解质水溶液中,利用电化学方法,在该材料的表面微孔中产生火花放电斑点,在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下,生成陶瓷膜层的方法。与传统的阳极氧化法相比,微弧氧化陶瓷膜与基体结合牢固,结构致密,具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性,具有广阔的应用前景。目前,总体上看,俄罗斯在微弧氧化技术研究规模和水平上占据优势,美国、德国等国家在该技术的研究及应用上也有较高的水平。我国从90年代开始关注此技术,但目前仍处于起步阶段。国内研究此技术的单位主要有北京师范大学、北京航空材料研究院和青岛化工学院等。北京师范大学低能核物理研究所在这方面的研究工作较为系统,他们对铝合金微弧氧化陶瓷层的制备过程、能量交换、膜的形貌结构以及应用等都做了有益的探讨。6063铝合金易于加工成型,在铸造、建筑等行业有着广泛的应用,但也存在着硬度不高等不足,限制了它的应用范围与产品性能,通过微弧氧化进行表面处理,能够提高其硬度等性能,进一步扩大其应用,本文正是基于此点,对6063铝合金微弧氧化性能进行了研究。2微弧氧化微弧氧化制备陶瓷膜工艺比较简单,本实验采用6063铝合金(组成见表1),样品为30mm×30mm×5mm的正方形薄片,经磨制、无水乙醇及丙酮超声波清洗,然后采用磷酸盐碱性微弧氧化溶液体系进行微弧氧化(微弧氧化工艺参数见表2),去离子水清洗、干燥,并进行X射线(XRD)分析实验、显微分析实验与硬度测试实验。3结果与讨论3.1陶瓷相的生成试样经过XRD实验获得的衍射图谱见图1。图1为样品微弧氧化层的X射线衍射图谱。由图可以看出膜层绝大多数成分为α-Al2O3,相对强度大的峰值基本上都是α-Al2O3,而γ-Al2O3仅占有少数几个相对不是很强的峰值;根据相对强度可以算出α-Al2O3约占到陶瓷膜成分的80%。氧化铝的稳定晶相为六边形的α-Al2O3,γ-Al2O3则为亚稳定相。氧化铝从水溶液中结晶或者水合氧化铝(比如Al2O3·H2O)结晶时生成γ相氧化铝,如果温度高达1000℃以上,不稳定的γ-Al2O3将转化为α-Al2O3。刚玉结构的α相的出现,不但说明了微弧放电区等离子体的温度非常高,超过1000℃;而且致使陶瓷氧化膜硬度有了较大提高。由于微弧氧化时间较长,γ相到α相的转化比较完全,样品表面的陶瓷层基本上为α-Al2O3,而γ-Al2O3比较少。也正因如此,得到了较厚的氧化膜,所以衍射图谱上看不到基体铝的衍射峰。3.2微弧氧化膜事工膜的表面形貌图2为样品微弧氧化层横截面显微图。图中(1)为基体铝合金,(2)为氧化膜层,(3)为镶嵌样品所用的环氧树脂。可以清晰地看到,基体和氧化层之间的界面犬牙交错,并不光滑,说明氧化膜和基体结合良好。微弧氧化膜靠近基体/膜界面处的氧化膜较为致密均匀(A),这是因为微弧氧化初始阶段,膜层较薄,微弧放电导致的放电通道细小均匀,而随着氧化过程的进行,膜层不断增厚,放电通道减少,电压逐渐增大,导致外层放电通道冷却凝固留下微孔孔径较大,表面比较粗糙(B,C)。根据图2可以测算出微弧氧化膜的平均厚度为100μm,远远高于阳极氧化得到的氧化膜的厚度。3.3硬度测试3.3.1果平均值用纳米压入硬度仪对样品截面处进行测试得到表3的测试结果(平均值)。从表3数据可以发现,微弧氧化膜的硬度和弹性模量远远高于基体铝合金的硬度和弹性模量,微弧氧化膜的硬度和弹性模量在基体铝合金的基础上有了很大的提高。3.3.2微弧氧化膜的弹性6063铝合金基体铝的载荷-压深曲线见图3。加载曲线比较缓和,说明基体铝的组织比较均匀。卸载曲线很陡,说明铝的弹性很低。观察6063铝合金微弧氧化膜载荷-压深曲线可以发现,加载曲线起始部分较为缓和,之后的斜率逐渐增大,曲线变陡,这是由于膜层由致密层和疏松层组成之缘故。而卸载曲线较为平缓,说明氧化膜的弹性较好。比较基体和氧化膜的载荷-压深曲线可以发现,氧化膜的弹性远比基体的弹性要好,这与3.3.1中得到的数据相符合。4微弧氧化的金相和硬度(1)根据X射线衍射的结果,样品得到的氧化膜层有80%以上为α-Al2O3,γ-Al2O3的含量仅占20%左右,这是因为本实验采取的微弧氧化工艺时间较长,在微弧氧化过程中γ-Al2O3大部分转化成α-Al2O3,α相的出现说明微弧氧化的温度非常高,可以达到1000℃以上。(2)在金相观察中发现,膜/基体的界面并不光滑,结合得比较好,这可以证明微弧氧化陶瓷膜是在基体上原位生长而成的。在金相照片中可以测出样品的微弧氧化膜的平均厚度为100μm。(3)样品的纳米压入硬度测试结果显示,微弧氧化膜的硬度和弹性模量在基体铝合金的基础上有了很大