鎂合金微弧氧化技術的研究現狀

孔 冰， 邵忠財， 陳靖涵， 金俊剛

（沈陽理工大學 環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159）

鎂合金微弧氧化技術的研究現狀

孔 冰， 邵忠財， 陳靖涵， 金俊剛

（沈陽理工大學 環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159）

微弧氧化技術是一種針對鋁、鈦、鎂等閥金屬及其合金進行表面陶瓷化的新技術。介紹了微弧氧化技術的原理、電解液體系及存在的問題，并對將來的發展趨勢做了展望。

鎂合金；微弧氧化；耐蝕性

0 前言

鎂合金是目前工業上最輕的金屬結構材料。與其他普通的金屬結構材料和工程塑料相比，鎂合金具有密度小、比強度和比剛度高、機械加工性能優良、可回收利用及對環境的污染小等優點［1－3］。鎂合金已經成為一種十分理想的現代工業材料，被廣泛用于航空航天、軍事、核能、汽車制造及電子通訊等領域［4］。鎂合金與氧的親合力大，容易在大氣環境中發生腐蝕。適當的表面處理可以提高鎂合金的耐蝕性［5］。鎂及鎂合金表面改性常采用化學轉化膜、熱噴涂、離子注入、氣相沉積、電鍍、激光表面處理、陽極氧化、微弧氧化等方法［6－9］。

1 鎂合金微弧氧化的原理

微弧氧化又稱微等離子體氧化或陽極火花沉積，是一種將鋁、鈦、鎂等有色金屬或其合金置于特殊的電解液中，通過微等離子體放電，直接在金屬或合金表面原位生長陶瓷膜的新技術［10－11］。它是在陽極氧化的基礎上建立起來的一種新方法。

一般認為，微弧氧化過程經過四個階段［12－17］。

（1）陽極氧化階段

將樣品置于一定的電解液中，通電后，樣品表面和陰極表面出現無數細小均勻的白色氣泡，而且隨電壓升高，氣泡逐漸變大變密，生成速率也不斷加快。在達到擊穿電壓之前，這種現象一直存在，這一階段就是陽極氧化階段。

（2）火花放電階段

當施加到樣品的電壓達到擊穿電壓時，樣品表面開始出現無數細小、亮度較低的火花點。這些火花點密度不高，無爆鳴聲。在該階段，樣品表面開始形成陶瓷層，但陶瓷層的生長速率很小，硬度和致密度較低，所以應盡量減少這一階段的時間。

（3）微弧氧化階段

進入火花放電階段后，隨著電壓繼續升高，火花逐漸變大變亮，密度增加。隨后，樣品表面開始均勻地出現放電弧斑。弧斑較大、密度較高，隨電流密度的增加而變亮，并伴有強烈的爆鳴聲，此時即進入微弧氧化階段。

（4）熄弧階段

微弧氧化階段末期，電壓達到最大值，陶瓷層的生長將出現兩種趨勢。一種是樣品表面的弧點越來越疏并最終消失，表面只有少量的細碎火花，這些火花最終消失，爆鳴聲停止。另一種是表面只有少量的細碎火花，這些火花最終會完全消失，同時其他一個或幾個部位突然出現較大的弧斑。這些較大的弧斑光亮刺眼，可以長時間保持不動，并且產生大量氣體，爆鳴聲增加。

2 微弧氧化電解液體系

電解液的組成對微弧氧化陶瓷層有著重要的影響。在不同的電解液中，微弧氧化陶瓷層的生長速率、結構、成分和元素分布皆有不同［18］。目前微弧氧化電解液分為酸性體系和堿性體系。酸性電解液為濃硫酸或磷酸和其他鹽溶液，不僅污染環境，而且對樣品有一定的腐蝕作用，所以現在已很少使用。弱堿性電解液成了近幾年的主要研究對象。按照主成膜元素的不同，弱堿性電解液主要包括磷酸鹽體系、硅酸鹽體系、鋁酸鹽體系及復合電解液體系［19］。

2.1 磷酸鹽體系

在磷酸鹽體系電解液中制備的陶瓷膜表面多孔，截面組織均勻致密，沒有明顯的分層結構，膜層與基體結合良好，耐蝕性較好［20－22］。雖然磷元素能夠促進微弧氧化膜增長、提高致密性、增強結合力和提高耐蝕性［23］，但磷酸鹽對人體和環境有不同程度的危害，使其實際應用受到了限制。

2.2 硅酸鹽體系

硅酸鹽是最適合微弧氧化的電解質成分之一，可在較寬的電解液溫度及氧化電流范圍內，促進合金表面鈍化，形成性能較佳的含硅氧化膜［24］。從微觀組織結構看，硅酸鹽體系得到的氧化膜由三層組成，最外層是疏松層，中間層是致密層，內層是過渡層。其中致密層對提高耐蝕性起主要作用。

2.3 鋁酸鹽體系

鋁酸鹽也是適合微弧氧化的電解質成分，它可以降低電解液的腐蝕作用，促進陶瓷涂層的生長，特別適用于鎂合金微弧氧化膜的制備。鋁酸鹽體系對環境沒有任何危害，所形成的膜層由兩層組成，外層為疏松多孔層，內層為致密層。鋁酸鹽體系的陶瓷膜表面非常光滑，有良好的外觀。相對于硅酸鹽體系，鋁酸鹽體系所得膜層的耐磨性更好。但在成膜速率、耐蝕性方面，鋁酸鹽體系稍差于硅酸鹽體系［25］。

2.4 復合電解液體系

近年來，在以上三種體系的基礎上，利用各體系的優點，開發出一系列復合電解液體系，包括硅酸鹽－鋁酸鹽、硅酸鹽－磷酸鹽、鋁酸鹽－磷酸鹽、鋁酸鹽－鉬酸鹽等體系。Na2SiO3－NaAlO2體系與單一的鋁酸鹽或硅酸鹽體系相比，所得陶瓷膜的耐蝕性更好，且致密、光滑。但是，該電解液體系不穩定，微弧氧化時間過長，容易在電解液中產生絮狀Al（OH）3沉淀［26］。Na2SiO3－（NaPO3）6體系較穩定，氧化膜外觀較好，耐蝕性也較理想。

3 微弧氧化技術的優點及存在的問題

微弧氧化技術是在陽極氧化的基礎上發展起來的，工藝上有著突出的特點：（1）電解液呈弱堿性，對環境沒有污染；（2）工藝簡單，對工件的預處理只要求表面去污去油，不需要去除表面的自然氧化層，適用于大規模自動化產生；（3）微弧氧化可以一次完成，也可以分幾次完成，而陽極氧化一旦中斷就必須重新開始；（4）不需要真空或低溫條件。

但該技術目前仍存在一些問題。例如：微弧氧化膜的形成過程相當復雜，機制研究不足［9］；氧化電壓較常規陽極氧化的高得多，操作時要注意安全；微弧氧化的電流效率較低；電解液溫度上升較快，需冷卻［27］。

4 展望

微弧氧化陶瓷膜具備陽極氧化膜和陶瓷噴涂層兩者的優點，在航空航天、機械、紡織、醫療、電子和裝飾等領域有著非常廣闊的應用前景。隨著研究工作的不斷深入，微弧氧化技術一定會體現出更大的技術價值和經濟效益。

：

［1］劉正，張奎，曾小勤.鎂基輕質合金理論基礎及其應用［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［2］《輕金屬材料加工手冊》編寫組.輕金屬材料加工手冊［M］.北京：冶金工業出版社，1980.

［3］JIN F，CHU P K，XU G D，et al.Structure and mechanical properties of magnesium alloy treated by micro-arc discharge oxidation using direct current and high-frequency bipolar pulsing modes［J］.Materials Science and Engineering A，2006，435（5）：123-126.

［4］李建中，田彥文，崔作興.鎂合金微弧氧化－化學鍍的研究［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36（3）：528-532.

［5］陳俊.用于粘接的AZ31鎂合金表面陽極氧化和微弧氧化工藝研究［D］.北京：北京化工大學，2009.

［6］GRAY J E，LUAN B.Protective coatings on magnesium and its alloys［J］.Journal of Alloys and Compounds，2002，336（1）：88-113.

［7］劉志遠，邵忠財.鎂合金表面處理的研究現狀與展望［J］.電鍍與涂飾，2007，26（11）：27-30.

［8］王桂香，張密林，董國君，等.鎂合金表面化學轉化膜的研究進展［J］.材料保護，2008，41（1）：46-50.

［9］姜偉，王桂香.鎂合金微弧氧化工藝的研究進展［J］.電鍍與環保，2010，30（4）：1-4.

［10］陳小紅，曾敏，曹彪.微弧氧化電源的研究現狀［J］.新技術新工藝，2008（3）：87-89.

［11］薛文彬，鄧志威，來永春，等.鋁合金微弧氧化陶瓷膜的形成過程及其特征［J］.電鍍與精飾，1996，18（5）：3-6.

［12］鄧志威，薛文彬，汪新福，等.鋁合金表面微弧氧化技術［J］.材料保護，1996，29（2）：15-16.

［13］趙暉.鎂合金的微弧氧化及真空高能束流處理研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2007.

［14］石玉龍，茹鳳虎，彭紅端，等.鋁材表面的等離子體微弧氧化技術研究［J］.電鍍與涂飾，2000，19（1）：15-18.

［15］張欣宇，石玉龍.等離子體微弧氧化技術及其應用［J］.青島化工學院學報，2002，23（1）：69-73.

［16］侯亞麗，劉忠德.微弧氧化技術的研究現狀［J］.電鍍與精飾，2005，27（3）：24-28.

［17］趙玉峰，楊世彥，韓明武.等離子體微弧氧化技術及其發展［J］.材料導報，2006，20（6）：102-104.

［18］李建中，邵忠財，田彥文，等.微弧氧化技術在Al、Mg、Ti及其合金中的應用［J］.腐蝕科學與防護技術，2004，16（4）：218-221.

［19］宋雨來，王文琴，劉耀輝.鎂合金微弧氧化電解液體系及其添加劑的研究現狀與展望［J］.材料保護，2010，43（11）：29-31.

［20］高峰，李鵬飛，郭鋒，等.鎂合金微弧氧化電解液研究及耐蝕性分析［J］.表面技術，2007，36（6）：42-44.

［21］章志友，趙晴，劉月娥.不同體系中鎂合金微弧氧化膜層的耐蝕性研究［J］.材料保護，2008，41（5）：19-22.

［22］梁軍，田軍，周金芳，等.磷酸鹽－氫氧化鉀溶液中鎂合金微弧氧化膜層結構和性能研究［J］.電鍍與涂飾，2005，24（12）：4-7.

［23］李建中，邵忠財，田彥文，等.不同含磷電解液在微弧氧化過程中的作用［J］.中國腐蝕與防護學報，2004，24（4）：222-225.

［24］王立世.兩種電解液中鎂合金等離子體電解氧化過程及膜層特性研究［D］.武漢：華中科技大學，2005.

［25］楊靜.鎂合金在不同微弧氧化體系中的組織與性能研究［D］.天津：天津大學，2006.

［26］姜兆華，李爽，姚忠平，等.電解液對微弧氧化陶瓷膜結構與耐蝕性的影響［J］.材料科學與工藝，2006，14（5）：460-462.

［27］祝曉文，韓建民，崔世海，等.鋁、鎂合金微弧氧化技術研究進展［J］.材料科學與工藝，2006，14（3）：366-369.

Research Progress on Micro-arc Oxidation Technique for Magnesium Alloy

KONG Bing， SHAO Zhong-cai， CHEN Jing-han， JⅠN Jun-gang
（School of Environmental and Chemical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

Micro-arc oxidation is a novel technique to deposit ceramic coatings on the surface of valve metals such as Al，Ti，Mg and their alloys.The principle，electrolyte system and existing problems of micro-arc oxidation technology were introduced，and the future trend was also prospected.

magnesium alloy；micro-arc oxidation；corrosion resistance

TG 174

A

1000-4742（2015）02-0004-03

2013-06-25