微弧氧化工艺优缺点

微弧氧化工艺优缺点

李斌,徐鹏,赵峰,庞国庆

西安天力金属复合材料股份有限公司 陕西省 西安市 710200

摘要：微弧氧化是指将不锈钢作为阴极，将待处理的金属置于阳极，在高压放电的作用下，在金属表面产生质地均匀的陶瓷层的一种新工艺。通过此工艺制备的陶瓷层与基体金属具有良好的结合能力，且产生的陶瓷层普遍具有较高的硬度、耐蚀耐磨以及抗高温性能，可以有效提升材料的服役寿命。除此之外，此技术还适用于各种形状的金属，操作工艺简单可控，对环境污染小，成为了目前有色金属表现处理的热门方法。但是此方法耗电量较大，且很难制备出不同种类颜色的陶瓷层，同时苛刻的反应条件也对微弧氧化的发展起到了阻碍。

关键词：微弧氧化；表面处理；陶瓷层

引言

微弧氧化的基本原理是将不锈钢片作为阴极，将待处理的金属置于阳极，在外加电源的作用下向金属表面制备陶瓷层的一种新型技术。维护氧化技术是在阳极氧化技术基础上进一步得来的。与传统的阳极氧化相比，微弧氧化过程中金属表面的放电电压和放电电流会更大，金属表面生长的陶瓷层更为致密，而且通过调配不同种类的电解液，可以在金属表面制备不同种类的陶瓷层。该技术操作简单，电解液对环境污染较小，成为了目前较好的有色金属表面处理方法。与此同时，由于该技术在处理过程中需要消耗大量的能源，而且反应过程中放电电压经常达到400~500V，工作能耗较高，处理大型零部件时所花费的成本较高。

1.微弧氧化的基本原理

微弧氧化技术是在高温高压下等离子体的放电电弧的作用下，在基体金属表面制备金属对应氧化物陶瓷层的一种技术。微弧氧化设备示意图如下：主要由电源、电解液、及冷却系统组成。

图1  微弧氧化设备结构图

2.微弧氧化的优点

微弧氧化工艺的优点首先是能够为金属表面提供较高的硬度。作者本人之前进行过铝合金采用恒流法制备陶瓷层的研究，发现铝合金采用恒流法制备陶瓷层时，起弧电压为300V，所制得的陶瓷层硬度高达400HV[1]，且在350℃环境中具有优异的热防护性能；唐培松等人以LY12合金作为实验对象，采用恒流法在合金表面制备陶瓷层，发现当电流密度为60A/dm2时，陶瓷层的厚度达到最大45.1μm，且陶瓷层的硬度达到峰值1050HV[2]；。从上述试验中可以发现，微弧氧化可以赋予材料较高的硬度，最高可达1000HV，可与硬质合金媲美，可以很大程度上提升材料的服役寿命。

微弧氧化的第二个优点是可以赋予材料较高的热防护性能，由于金属表面的陶瓷层是在高温高压下形成的，因此该陶瓷层具有很高的熔点。宇文倩倩等人通过使用等离子电解氧化技术成功地在铝硅合金上制备了Al2O3陶瓷层，并将此陶瓷层置于300℃环境下进行热震实验，并未发现明显裂纹[3]；鲁闯等人通过采用微弧氧化工艺在铝硅合金表面制备陶瓷层，并研究陶瓷层的热防护性能，发现陶瓷层的导热系数较基体相比低了2~3个数量级，并且这个比例会随着膜层厚度的增加而增加，陶瓷层在经历了60次空冷和水冷热震试验后未发现明显裂纹[4]。张欣萌等人在2024铝合金上采用微弧氧化工艺制备陶瓷层，发现加入的K2ZrF6添加剂对膜层的生长有促进作用，该陶瓷层在500℃环境下进行60次热震试验，并未发现明显裂纹[5]。从上述实验可知，微弧氧化技术可以赋予材料优异的热防护性能，在目前众多的热防护部件中都有着广泛的应用。

微弧氧化的第三个优点是能够赋予材料优异的耐蚀性。蒋百灵等人采用微弧氧化技术成功在MB8镁合金上制备陶瓷层，研究微弧氧化反应时间与陶瓷层耐蚀性的关系，发现随着反应时间的增加，陶瓷层的厚度逐渐增加，且耐蚀性逐渐增加，当反应时间为100min时，陶瓷层的腐蚀速率为0.2%[6]。张先锋等人采用MB8镁合金作为研究对象，研究了微弧氧化过程中工艺参数对陶瓷层耐蚀性的影响。发现微弧氧化过程中电流密度参数对耐蚀性影响最大，随着电流密度的增加，陶瓷层耐蚀性先增加后降低，除此之外，陶瓷层的耐蚀性能会随着反应频率的增加而增加，随着占空比的增加而下降[7]。从上述实验可以得知，维护氧化技术可以赋予材料优异的耐蚀性能。

3微弧氧化的缺点

微弧氧化反应过程是全程在高压下进行的，而且金属表面的电压会根据金属的大小和种类的变化而变化，周立果研究了Al-Si合金微弧氧化过程中金属表面的放电电压的变化，作者采用50x20x10规格的铝合金，在硅酸盐体系电解液采用恒流法在金属表面制备陶瓷层，发现在反应过程中金属起弧电压达到了180V，经过40min反应时间，放电最终电压能达到500V[8]。李淑华等人研究了LY12合金在微弧氧化过程中电压与陶瓷层组织和性能的关系，发现经过200min反应时间后，合金的最终反应电压能达到650V，继续增加电压则会发出尖锐的爆鸣声，且会伴随着膜层的脱落[9]，反应过程中电流的峰值高达100A。由此可知，微弧氧化在反应过程中会消耗大量的能量，并且反应时间较长，

反应成本较高。无法满足大批量、大型零部件的批量生产。除此之外，微弧氧化的原理在上文提到，金属表面成膜过程是在高温高压下进行的，因此形成的陶瓷层颜色与电解液中的负离子有关，因反应过程中的温度较高，因此大多数微弧氧化的膜层颜色通常为亚光色，若想改变膜层的颜色则需要下很多功夫。

结束语

微弧氧化技术由于具有操作简单可控，制得的陶瓷层具有硬度高，耐性耐磨和隔热性能好等因素，在众多有色金属的表面处理方法中有着广阔的应用前景。然而，由于微弧氧化过程中的反应电压高达500V，反应电流高达100A，因此在反应过程中非常消耗能量，且根据微弧氧化的原理，反应过程必须持续进行，任何的停电或者参数设置错误都会对陶瓷层的组织和性能产生巨大的影响，而且微弧氧化的陶瓷层颜色目前以亚光色为主，通过调节工艺参数与电解液来改变陶瓷层的颜色较为困难。

3  结论

1. 微弧氧化工艺能够向铝镁钛等有色金属表面制备致密的陶瓷层，该方法具有操作简单可控，能够向材料表面赋予较大的硬度、耐磨耐蚀性以及优异的热防护性能。
2. 微弧氧化全程在高压放电过程中进行，且放电电压与材料大小、种类及形状有密切联系。因此在反应过程中需要消耗大量能源，使用成本较高，且陶瓷层的颜色难以控制。

参考文献：

[1]李斌. 铝合金激光冲击--等离子电解氧化复合改性层的组织和性能[D]. 陕西:西安工业大学,2020.

[2]唐培松, 贺子凯. 电流密度对微弧氧化膜层厚度和硬度的影响[J]. 表面技术, 2003, 32(3):4.

[3]宇文倩倩. 铝合金表面改性-等离子体电解沉积复合层的组织和性能研究[D].西安工业大学,2019.

[4]鲁闯, 谢发勤, 朱利萍. Al-Si合金微弧氧化膜热防护性能研究[J]. 兵器材料科学与工程, 2017, 40(2):5.

[5]张欣盟. 大面积铝合金局部放电微弧氧化及热阻隔膜层制备[D]. 哈尔滨工业大学, 2011.

[6]蒋百灵, 张淑芬, 吴国建,等. 镁合金微弧氧化陶瓷层显微缺陷与相组成及其耐蚀性[J]. 中国有色金属学报, 2002, 12(3):4.

[7]张先锋, 蒋百灵. 能量参数对镁合金微弧氧化陶瓷层耐蚀性的影响[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2005, 17(3):3.

[8]周立果. Al-12Si合金表面CPED热防护涂层组织与性能的研究[D].西安工业大学,2017.

[9]李淑华, 程金生, 尹玉军,等. LY12Al合金微弧氧化过程中电流和电压变化规律[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2001, 13(6):3.