淺論鋁合金表面改性技術(shù)研究

　　一、前言

　　常用的鋁合金表面改性技術(shù)有激光熔覆、陽(yáng)極氧化、等離子微弧氧化等，有關(guān)這些方法的研究均取得了較大進(jìn)步。等離子微弧氧化是一種新型表面陶瓷化技術(shù)，近年來(lái)，其相關(guān)文章報(bào)道較多，已成為鋁合金表面改性技術(shù)研究的熱點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。

　　二、常用的鋁合金表面改性技術(shù)

　　（一）激光熔覆

　　激光熔覆技術(shù)是采用高能激光束將金屬－陶瓷復(fù)合粉末熔于基材表面，獲得金屬陶瓷復(fù)合層的工藝。其工藝方法有兩種：預(yù)置涂層法和同步送粉法。預(yù)置涂層法是先將粉末與粘接劑混合后涂于基體表面，干燥后進(jìn)行激光加熱。同步送粉法是在激光照射到基體的同時(shí)側(cè)向送粉，粉末熔化而基體微熔，冷卻后得到熔覆層。二者方法不同但效果相近，即熔覆層通常與施加的合金粉末的化學(xué)成分相近，熔覆層與基體之間為冶金結(jié)合，只有在界面結(jié)合層的較窄范圍內(nèi)，施加合金粉末才受到基體的稀釋。

　　激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程，工藝參數(shù)較多，可分成4類(lèi)：1．激光系統(tǒng)本身，如光束模式、功率穩(wěn)定性等；2．基體，如基體材質(zhì)、表面狀態(tài)等；3．涂層材料的特性及涂置工藝；4．處理?xiàng)l件，包括光束大小與形狀、功率大小及掃描速度等[7]。對(duì)于鋁合金的激光熔覆，根據(jù)覆層種類(lèi)和厚度，正確選擇激光參數(shù)很重要。如果能量輸入不足，不僅得不到熔化良好、凝固致密的覆層，更得不到良好的冶金結(jié)合層。如果輸入的能量密度過(guò)大，覆層又會(huì)因鋁合金基材過(guò)多熔化稀釋?zhuān)�使性能顯著惡化，而且還增多了涂層的氣孔等缺陷。

　　激光熔覆金屬表面陶瓷層的優(yōu)點(diǎn)是：可以使陶瓷涂層和金屬基體達(dá)到冶金結(jié)合，提高了陶瓷層和基體的結(jié)合強(qiáng)度；消除了陶瓷層中大部分孔洞和裂紋，提高了陶瓷層的致密度；釉化了陶瓷表面，大大提高了表面硬度，改善了材料的耐磨性能。不足之處是界面的稀釋度較大；界面上易形成脆性相和裂紋；在實(shí)際應(yīng)用中涂層的尺寸精度、對(duì)基體復(fù)雜形狀的容許度、表面粗糙度等問(wèn)題未能很好地解決。

　　（二）陽(yáng)極氧化

　　鋁合金陽(yáng)極氧化方法有硫酸陽(yáng)極氧化法、草酸法、鉻酸法、磷酸法、有機(jī)酸法和混合酸法等。現(xiàn)有的陽(yáng)極氧化工藝大都采用酸性電解液。根據(jù)電解液的種類(lèi)不同，可以得到阻擋型氧化膜和多孔型氧化膜。在含有硼酸－硼酸鈉混合水溶液的中性溶液（pH值為5－7）中和在酒石酸銨、檸檬酸、馬來(lái)酸、乙二醇等水溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化時(shí)，可得到阻擋型的氧化膜。因?yàn)檫@些水溶液溶解氧化物的能力較弱，所以在鋁合金表面形成致密的氧化薄膜。阻擋型氧化膜的厚度取決于陽(yáng)極氧化時(shí)的電壓，電壓越高，膜越厚。但陽(yáng)極氧化電壓不能無(wú)限升高，臨界值為500－700V。如果超過(guò)臨界值，鋁合金表面會(huì)發(fā)生火花放電而破壞氧化膜的絕緣性。鋁合金在硫酸、鉻酸、磷酸、草酸等酸性溶液中陽(yáng)極氧化時(shí)，可得到多孔質(zhì)型氧化膜。多孔質(zhì)型氧化膜也稱(chēng)為復(fù)合氧化膜，是由兩層膜組成的，緊靠鋁基體的一層叫阻擋層，外面的一層叫多孔質(zhì)層。多孔質(zhì)層的厚度取決于電解時(shí)間。阻擋型氧化膜與多孔型氧化膜相比較，不同點(diǎn)就是前者氧化膜的厚度不受電解時(shí)間和電解液溫度過(guò)高的影響。

　　陽(yáng)極氧化膜具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)，膜層的孔隙率常常由于電解液的溶解能力和膜層的生長(zhǎng)速率不同而不同。氧化膜的硬度大約在196－490Hv[13]，厚度一般為幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米。[陽(yáng)極氧化膜組織結(jié)構(gòu)受電解液類(lèi)型、工藝參量及氧化前處理等多種因素決定。近年來(lái)對(duì)硫酸法氧化液中添加鹵化胺類(lèi)－金屬（半金屬）鹵化物的絡(luò)合物。可提高鋁合金表面氧化層的沉積速度，并可使用更高的陽(yáng)極電流密度而不燒損氧化膜，所得到的氧化膜均勻致密，有更好的光澤性、耐磨性和抗腐蝕性，且易于著色。鋁合金尤其是高硅鋁合金，由于硅組元偏析，氧化膜溶解速度大及鋁制件邊角氧化膜易燒損等，很難形成優(yōu)質(zhì)氧化膜，目前人們?cè)囼?yàn)將木質(zhì)素、木質(zhì)素酸或其它鹽類(lèi)加到酸性陽(yáng)極氧化電解液中，可以提高氧化膜的厚度和硬度，鋁合金硬質(zhì)陽(yáng)極氧化工藝，氧化膜厚度可達(dá)35－40μm。脈沖陽(yáng)極氧化膜的最大厚度可達(dá)100－200μm以上，硬度為450－650Hv，而且氧化膜厚度的波動(dòng)性較小，分散均勻。

　　陽(yáng)極氧化不僅改進(jìn)和提高了鋁合金表面性能，如耐磨性、耐蝕性、表面硬度等，而且可以賦予表面各種顏色，大大提高鋁合金的裝飾性。但陽(yáng)極氧化膜上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)色澤不均、黑斑點(diǎn)、燒蝕、表面粗糙、流痕、膜厚不均勻以及剝落等缺陷。按照外觀形態(tài)，可將陽(yáng)極氧化表面缺陷分成三大類(lèi)：1．條紋（帶）狀缺陷；2．斑點(diǎn)狀缺陷；3．不均勻（不正常）表面[17]。這些缺陷的產(chǎn)生與材質(zhì)、預(yù)處理、陽(yáng)極氧化、后處理以及封孔、著色過(guò)程的工藝參數(shù)和操作有著密切關(guān)系。

　　（三）等離子體微弧氧化

　　等離子體微弧氧化（PMAO）又稱(chēng)微等離子體氧化（MPO）、陽(yáng)極火花沉積（ASD）或火花放電陽(yáng)極氧化（ANOF），這是一種直接在有色金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷層的新技術(shù)。它是近十幾年在陽(yáng)極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但兩者在機(jī)理、工藝及膜層性質(zhì)上有許多區(qū)別。其原理是：將Al、Mg、Ti等有色金屬或合金置于電解質(zhì)水溶液中，利用電化學(xué)方法在材料表面微孔中產(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。

　　由于等離子體弧光放電具有高密度能量，可以在基體與外來(lái)陶瓷膜層物料間形成氣相攪拌，使之充分混合、反應(yīng)并燒結(jié)，通過(guò)合理控制沉積速率、反應(yīng)速度及燒結(jié)能量，即可在基體（陽(yáng)極工件）表面上獲得具有較高硬度、膜層與基體結(jié)合性能良好的陶瓷化膜層；同時(shí)，由于參與反應(yīng)并形成陶瓷相的物料離子在液體中受到電場(chǎng)力作用可均勻傳輸?shù)交�體附近的空間，在膜層的均勻性、對(duì)基體形狀尺寸允許程度等方面會(huì)有較好保證。通過(guò)改變電解液成份及工藝參數(shù)，可以制備出不同化學(xué)成份配比、晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型及性能的陶瓷膜層。膜層和基體直接在離子鍵的作用下結(jié)合在一起，等離子體弧光放電的高密度能量使基體表面微區(qū)內(nèi)形成熔融區(qū)，使膜層與基體之間形成微區(qū)冶金結(jié)合，提高了膜層與基體之間的結(jié)合能力。

　　由于等離子體微弧氧化技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、處理效率高、工藝成本低、無(wú)污染等特點(diǎn)，所制得的陶瓷膜除具有一般結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的耐磨、耐蝕、耐高溫等優(yōu)異特點(diǎn)外，還可以根據(jù)不同的性能要求，制備出具有裝飾、磁電屏蔽、電絕緣等功能性膜層。因此該技術(shù)已成為國(guó)際材料研究的熱點(diǎn)之一，在航空、航天、建筑、紡織、電子工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)的推廣應(yīng)用一定會(huì)推動(dòng)我國(guó)表面處理行業(yè)、輕合金加工制造行業(yè)及相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

　　三、結(jié)語(yǔ)及展望

　　隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，鋁合金在各行各業(yè)中的應(yīng)用，特別是在航空、航天、建筑、化工、汽車(chē)、電子、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，用量比例也越來(lái)越大，對(duì)鋁合金表面改性技術(shù)的要求也越來(lái)越高，只有賦予其各種優(yōu)異表面功能特性，使鋁合金材料在使用中能承受更加惡劣的工作條件和環(huán)境，才能拓寬鋁合金的使用范圍。

　　等離子體微弧氧化技術(shù)的推廣和應(yīng)用一定會(huì)推動(dòng)金屬表面處理技術(shù)的進(jìn)步，具有廣闊的應(yīng)用前景。