冯慧峤 周锴 张旭
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江哈尔滨 150066
摘要：弧氧化技术又称微等离子体氧化、火花放电阳极氧化。它是将铝，镁，钛等有色金属及其合金，在适当的电参数条件下使其与电解液中的溶质发生反应，最终在金属表面生成了具有一定厚度的陶瓷膜。利用该技术在铝及其合金上生长一层Al2O3陶瓷膜，该陶瓷膜具有良好的耐磨、耐蚀性，而且可通过改变电参数和电解液等得到不同性能、不同颜色的陶瓷膜。
关键词：微弧氧化；表面处理；铝合金拉伸；性能
铝合金本身存在一定的缺点，比如其硬度低、耐磨性差，所以要进行一定的处理。微弧氧化技术的诞生，使得它克服了传统阳极氧化的不足，该技术可以控制工艺过程，能够生成具有优异的耐磨和耐蚀性能的陶瓷薄膜，与其他技术相比较有较高的硬度和绝缘电阻，并且大大提高了膜层的综合性能；此技术具有很多的优点，比如工艺简单，操作简易，效率高、环保；开创了一个新的技术。但此技术的应用会对铝合金表面的拉伸性能产生一定的影响，笔者在本文进行了探讨。
1.微弧氧化技术
1.1微弧氧化的基本原理
微弧氧化工艺的基础，是在阳极氧化工艺上慢慢摸索出来的。阳极需要进行氧化，其在法拉第区进行，升高金属阳极的电位，这样会升高金属阳极的电流，连续的升压，当升到一定的强度时，会进入电火花放电区，此时，会属阳极会出现一些特殊的现象，比如铝合金表面会出现电晕、辉光及电火花放电现象，发生微区放电现象。笔者本文通过对铝阳极为例，铝的阳极氧化膜的成份是A12O3、Y-AI2O3和AIOOH。由于铝的氧化物在高温会出现一定的转化，如下：
所以一般在进行微区高温高压等离子体放电的阶段，铝阳极氧化膜的转变过程会出现晶化转变，比如Y—A1203和a—A1203，形成微弧陶瓷氧化膜，具有高硬度及良好耐腐蚀性，一般情况下陶瓷氧化膜的显微硬度可以达到2000HV以上。继续升高电压，这时会进入弧光放电区，此时会出现阳极表面电流密度增大，并伴有强烈的弧光放电现象。由于弧光放电时会产生强大的冲击力，所以微弧氧化应避免弧光放电区。
1.2微弧氧化的特点
微弧氧化技术是近几十年发展起来的铝合金表面处理的新技术，目前微弧氧化技术不是很成熟，还处于研究阶段，对其描述的资料较少。但铝合金微弧氧化技术有其独特的优点：
1.2.1耐磨性能高
一般情况下，Al、Mg、Ti 合金，在进行微弧氧化后会产生Al2O3、MgO、TiO2。陶瓷相的产物是具有很强的硬度，所以经微弧氧化的铝合金具有很高的硬度，最硬的硬度可达2500 HV，因此铝合金表面具有优越的耐磨强度，其耐磨性大大高于传统工艺的膜层.其优良的耐磨性还与一些特殊的因素有关，比如润滑油的自润滑特性有关。
1.2.2耐腐蚀性能高
一般在经微弧氧化后的陶瓷层会存在大量的喷射口，但是这些喷射口一般为盲孔；与此同时陶瓷层具可分为三层结构，疏松层、致密层以及过渡层，这样的分层结构能够为金属内部起到良好的保护作用，所以能够提高耐腐蚀性能。
1.2.3工序简单、生产效率高
微弧氧化技术一般处理工序简单，且生产速度快，一般情况下，要完成一个完整的微弧氧化要做到以下的流程：除油—清洗—氧化—清洗—封孔—烘干。与传统的氧化工艺相比较，工序减少，且花费时间也减少，一般仅需l0min 左右，大大提高了生产效率，且降低了成本，增加企业的收益。
1.2.4厚度、颜色均匀
在进行微弧氧化操作时，其正极是与电源正极相接浸在溶液里的工件作，其负极是与电源负极相连的不锈钢板。加入电源以后，工件表面的电线要实现均匀分布，这样做的目的是使得陶瓷膜层的厚度以及色泽均匀。据前人研究表明，利用微弧氧化强化技术，可以在对陶瓷膜的形成后，产生一套稳定的陶瓷膜层。
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1.2.5环保
在进行微弧氧化操作时，溶液中的各种离子只起导电作用，并且基本上不会消耗，所以能够循环使用，使用寿命高。另外，微弧氧化溶液一般呈中性或碱性，并且溶液中不含有重金属元素，所以说微弧氧化技术是环保的，无污染的。
2.微弧氧化对铝合金拉伸性能的影响
微弧氧化会产生不同厚度的氧化膜，并且不同厚度的氧化膜对铝合金的拉伸性能不同，以LY12CZ铝合金为例，其中O代表没有被氧化的试样，且表中每个数据都是在进行三次实验后得到的试样数据的平均值。试验结束后，通过绘制出的应力-应变曲线，可以发现弹性变形部分具有线性关系，所以能够计算出弹性模量E。
通过表1，我们可以读取O、A、B、C样品的数据，我们可以发现在对LY12CZ铝合金进行微弧氧化后，其表面可以形成60～160μm厚陶瓷氧化膜，所以对其伸性能影响不大。从总体来看，微弧氧化的样品中的一些参数有所变化，如σs、σb、δ、E值有所降低.
铝合金微弧氧化膜具有两层结构，致密层和表面疏松层，其中一半以上是致密层，大约占2/3。由于微弧区，在一般情况下是快速凝固，且受到热应力的影响，所以会在膜层表面出现小的裂纹。举例说明，比如将A、B、C样品通过特殊处理以后，得到样品A1、B1、C1，能够降低铝合金表面的粗糙程度，同是也能消除细小的裂纹。一般情况下，不同膜层厚度的样品，在经过打磨以下其抗拉强度会出现一定的变化，正如前面所说到的，铝合金表面氧化后，其σb有所下降，但是一般情况下其底线是5%，但是A表面磨光后σb却保持不变，我们在图中可以看到样品B、C的值有所增加。与前文的表1进行比较，σs、δ也会出现与σb一样的变化规律，那就是在打磨样品以后，σs、δ在比未打磨的样品有所提高，通常膜较薄且保持不变。但是我们发现不管氧化膜是否经过打磨，其σs、σb、δ值总是低于未经处理的铝合金表面的试样。
3 微弧氧化技术的发展趋势
将微弧氧化技术应用在铝合金表面改性中，可制备出高硬度、高结合强度的陶瓷膜层，能使铝合金原有的耐磨性差的问题得到大幅度提高，可解决铝合金耐磨性差的问题，并且改善与提高铝合金的耐腐蚀性。随着人们对微弧氧化技术的不断探索以及该技术日益表现出的独特的优点，微弧氧化技术在金属表面改性技术领域展示了更为广泛的应用前景，预计其发展趋势有以下几个方面：
微弧氧化电源的优化设计：微弧氧化的合适放电区间较窄，要求对放电后的电参数控制比较精确，大电流、高电压对供电电源提出了高要求，由于对微弧氧化本质认识限制，使得电源的设计及制造仍停留在经验摸索层面上，带有很大的盲目性。
电解液的合理开发及选择：缺乏对单组分电解液及反应机理的深入研究，电解液的选择停留在经验摸索上，难以与微弧氧化电源的合理衔接，进行陶瓷膜层的构造设计。
提高微弧氧化效率：电源消耗的能耗中用到膜层生长的大约为10～30%之间，提高微弧氧化效率也是微弧氧化技术得已推广应用的关键因素之一，还存在电解液冷却困难，消除噪声等问题。
微弧氧化陶瓷膜着色工艺：目前对制备颜色均匀的微弧氧化陶瓷膜的研究重视不够，一步方法完成特定颜色性能良好的陶瓷膜较为困难。
4 .结语
本文通过探讨LY12CZ铝合金经微弧氧化后，其表面的陶瓷膜层是否会对铝合金的拉伸强度造成影响，实验结果表明它对铝合金拉伸性能影响不大，同是试样在经过氧化之后，其参数σs、σb、δ、E值都降低但下降量不超过5%，并且ψ值还会出现小幅度的增加。打磨试样与未磨试样相比，打磨会把氧化膜去掉，所以会导致ψ值降低，但是实验结果表明，氧化膜较厚的试样一般σs、σb、δ值会提高。总之，微弧氧化前后会对拉伸强度造成一定的影响，但是影响不大。
参考文献：
[1]黄娜莎，倪益华，杨将新，刘远彬.铝合金表面改性技术的研究与进展[J].轻工机械，2010（4）.
论文作者:冯慧峤,周锴,张旭
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/22
标签：铝合金论文; 阳极论文; 技术论文; 表面论文; 性能论文; 试样论文; 电解液论文; 《防护工程》2018年第12期论文;