電解液溫度對(duì)輕合金微弧氧化的影響研究＊

王一鳴，張洪亮，李霖，賀同偉

電解液溫度對(duì)輕合金微弧氧化的影響研究＊

王一鳴，張洪亮，李霖，賀同偉

（沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

利用微弧氧化技術(shù)可以在金屬材料表面制備出具有高硬度、耐磨和耐腐蝕等優(yōu)異性能的氧化物涂層。影響金屬微弧氧化過程和氧化層結(jié)構(gòu)及性能的因素有很多。近期國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果表明，鋁、鎂、鈦等輕合金表面微弧氧化層的結(jié)構(gòu)與性能受電解液溫度的影響顯著，應(yīng)嚴(yán)格控制電解液的溫度。

微弧氧化；電解液；輕合金；氧化層

微弧氧化（Microarc Oxidation，MAO）又稱等離子體電解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation，PEO）[1]和陽極火花沉積（Anodic Spark Deposition，ASD）[2]，是在普通陽極氧化的基礎(chǔ)上將工作區(qū)由法拉第區(qū)引入到高壓放電區(qū)在金屬表面產(chǎn)生等離子體反應(yīng)而原位生成陶瓷層的技術(shù)[3]。利用該技術(shù)可以在鋁、鎂、鈦等輕合金表面制備出與基體結(jié)合強(qiáng)度較高，并具備優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕、耐熱性能的氧化物涂層[4-6]。影響金屬微弧氧化過程和氧化層結(jié)構(gòu)及性能的因素有很多，包括材料的成分及狀態(tài)、電源輸出方式、電參數(shù)、電解液的組成及溫度等。研究表明，電解液溫度對(duì)電導(dǎo)率影響較大，電解液每升高10 ℃，其電導(dǎo)率約增加12%[7]，因此電解液溫度是決定微弧氧化層結(jié)構(gòu)和性能的一個(gè)重要因素。本論文梳理了近期國(guó)內(nèi)外有關(guān)電解液溫度對(duì)鋁、鎂、鈦等輕金屬微弧氧化影響的研究進(jìn)展。

1 鋁及鋁合金

張欣宇等[8]研究了電解液溫度對(duì)純鋁在NaOH和NaH2PO4兩種體系電解液中微弧氧化成膜速率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在NaOH體系溶液中，成膜速率隨電解液溫度（20～55 ℃）的升高先增大后降低，在40 ℃左右時(shí)成膜速率最大；而在NaH2PO4體系溶液中，成膜速率隨電解液溫度的升高（5～75 ℃）呈線性降低的規(guī)律。

劉遠(yuǎn)彬[9]的研究結(jié)果顯示，LY12鋁合金在硅酸鹽體系電解液中微弧氧化時(shí)，當(dāng)電解液溫度從15 ℃升至40 ℃過 程中，所制備的陶瓷層的厚度逐漸增大、耐蝕性不斷提高。但高于40 ℃時(shí)，膜層厚度降低，粗糙度變大，隨之耐蝕性下降。

仝帥等[10]研究了次磷酸鈉體系電解液在5～85 ℃溫度范圍內(nèi)變化時(shí)LF4鋁合金的微弧氧化行為。結(jié)果表明，當(dāng)電解液溫度在45 ℃以下時(shí)，合金表面微弧氧化層具有較好的外觀質(zhì)量，膜層耐蝕性隨電解液溫度的升高而增強(qiáng)。當(dāng)電解液溫度高于45 ℃時(shí)，膜層變得粗糙，膜層耐蝕性隨電解液溫度的升高不斷下降。

2 鎂合金

朱枝勝等[11]采用Na2SiO3-Na3PO4體系電解液在AZ31B鎂合金表面制備了黑色微弧氧化層，并研究了電解液初始溫度（5 ℃、15 ℃、25 ℃、35℃）對(duì)氧化層結(jié)構(gòu)和性能的影響。得出以下結(jié)論：隨電解液溫度的升高，氧化層厚度減小，膜層黑度和色差均增大。膜層中孔洞尺寸先變小后增大，在 25 ℃時(shí)孔洞尺寸最小，此時(shí)膜層最致密。膜層的腐蝕電流密度在 25 ℃時(shí)達(dá)到最低值，氧化層的耐蝕性能最好。

翟彥博等[12]通過控制通入電解槽的冷卻氣流來調(diào)節(jié)Na2SiO3-Na3PO4體系電解液的溫度，對(duì)比研究了3種溫度（20 ℃、40 ℃、60 ℃）下AZ31B 鎂合金的微弧氧化過程，結(jié)果顯示，在保持其他電參數(shù)不變的條件下，較高的電解液溫度可以提高氧化層的生長(zhǎng)速度；對(duì)相同厚度的氧化層，制備時(shí)電解液溫度越高，獲得的膜層越疏松，顯微硬度越低，耐蝕性越差。

馬躍洲[13]等采用Na2SiO3體系電解液，在AZ91D鎂合金表面制備了微弧氧化層，并研究了電解液起始溫度對(duì)合金微弧氧化起弧電壓、膜層厚度及表面形貌的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著電解液起始溫度的升高，起弧電壓先降低后升高，膜層厚度先增大后減小，膜層表面孔洞數(shù)量減少、尺寸增大。

3 鈦合金

汪景奇[14]研究了Na2SiO3體系電解液的初始溫度（10～40 ℃）對(duì)TC4鈦合金微弧氧化的影響。結(jié)果顯示，隨電解液溫度的升高，起弧電壓先降低后升高，在30 ℃左右最低；氧化層厚度和表面粗糙度均增大，表面微孔數(shù)量減少，孔徑增大，膜層耐蝕性降低。

吳云峰等[15]將TC4合金在NaH2PO4-Ca（CH3OO）2體系電解液內(nèi)進(jìn)行微弧氧化處理，研究了在不同電解液溫度（10～50 ℃）下所制備的微弧氧化膜。結(jié)果表明，隨電解液溫度的升高，起弧電壓降低，膜層厚度和粗糙度均先增大后減小。在10 ℃的電解液中制備的陶瓷膜表面孔洞數(shù)量較多，孔徑較小，形狀規(guī)則且分布比較均勻，但此時(shí)膜層裂紋較多。隨電解液溫度的升高到20～30 ℃時(shí)，膜層表面孔徑增大，孔數(shù)量減少。當(dāng)電解液溫度繼續(xù)升高至40 ℃時(shí)，膜層表面孔徑繼續(xù)變小，數(shù)量增多；孔與孔之間搭接現(xiàn)象明顯，膜層表面平整度有所改善，膜層裂紋減少。

HABAZAKI等[16]采用K2Al2O4-Na3PO4體系電解液在Ti15V3Al3Cr3Sn表面制備出微弧氧化層，并研究了電解液溫度（5 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃）對(duì)合金微弧氧化行為的影響。結(jié)果顯示，隨電解液溫度的升高，氧化過程中樣品表面弧光放電的密度降低，5 ℃時(shí)弧光放電的密度最大，在30 ℃和40 ℃時(shí)，放電只集中在少數(shù)位置發(fā)生。在不同電解液溫度下制備的微弧氧化層的主要組成相均為Al2TiO5，只在溫度為5 ℃時(shí)制備的氧化層中檢測(cè)出α-Al2O3相，且該氧化層最均勻致密，耐磨性能也最好。

4 總結(jié)

電解液溫度不僅對(duì)鋁、鎂、鈦等輕合金微弧氧化的過程影響顯著，同時(shí)還對(duì)所制備氧化層的厚度、粗糙度、相組成、致密性和耐蝕性等有很大的影響。大部分研究結(jié)果顯示，微弧氧化層的厚度、表面粗糙度和致密度隨電解液溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，其力學(xué)和耐蝕性能先增強(qiáng)后降低。電解液溫度過高，降低了氧化層的質(zhì)量，還導(dǎo)致電能效率降低，因此應(yīng)將電解液溫度控制在較低范圍內(nèi)。同時(shí)，目前的研究多以電解液的初始溫度作為參考依據(jù)，而忽略了微弧氧化過程中電解液實(shí)際溫度的變化，在后續(xù)的研究中可以借助電解液的實(shí)時(shí)控溫裝置加以改進(jìn)。

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2095－6835（2020）20－0144－02

TG174

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.062

王一鳴（1998—），男，遼寧錦州人，沈陽航空航天大學(xué)本科生，主要研究方向?yàn)榻饘俑g及表面防護(hù)。

遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：20170540688）；沈陽航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201810143030）

〔編輯：王霞〕