铝合金微弧氧化工艺的研究进展

张 颖， 孙淑萍， 刘 婕

（1.燕山大学 环境与化学工程学院，河北 秦皇岛066004；2.河北省应用化学重点实验室，河北 秦皇岛066004）

0 前言

20世纪80年代后期，微弧氧化技术成为表面处理领域的一个研究热点，各国的研究人员对微弧氧化膜的制备工艺及其性能进行了大量的研究。微弧氧化膜的性能与工艺参数（如电压、电流密度、氧化时间、温度、电解液等）密切相关。本文概述了电解液、添加剂及电参数对微弧氧化膜性能的影响。

1 电解液对微弧氧化膜性能的影响

1.1 电解液体系

牛犇等［1］分别在硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐体系中对铸造铝合金进行微弧氧化。研究表明：在硅酸盐体系下制得的微弧氧化膜的厚度最大；在磷酸盐体系下制得的微弧氧化膜的显微硬度最大；三种体系下制得的微弧氧化膜都比较光滑。

1.2 电解液的质量浓度

徐俊等［2］研究了Na2SiO3体系电解液的质量浓度对微弧氧化膜性能的影响。结果表明：当Na2SiO3的质量浓度大于12g／L，KOH 的质量浓度大 于3 g／L时，微弧氧化膜粗糙、疏松；当Na2SiO3的质量浓度小于6g／L时，成膜时间太长。

杨建等［3］采用NaOH-Na2SiO3体系电解液，对A356 铝合金进行微弧氧化。研究表明：随着NaOH 的质量浓度的增加，微弧氧化膜的抗腐蚀时间先增加后减少；当NaOH 的质量浓度为4g／L时，微弧氧化膜的耐蚀性最好。

1.3 添加剂

按作用不同，添加剂一般可分为导电剂、钝化剂、稳定剂和改良剂。常见的添加剂有钨酸钠、硼酸、EDTA-2Na、铵盐、氢氟酸等。

在硅酸盐体系下添加Na2WO4，当Na2WO4的质量浓度由2g／L 增至6g／L 时，微弧氧化膜的厚度由37.5μm 增至48.3μm［4］。在硅酸盐体系下添加硼酸，当硼酸的质量浓度为1.5g／L时，微弧氧化膜的厚度达到21.0μm［5］。

在硅酸盐体系下添加Na2WO4，可以提高微弧氧化膜的显微硬度。当Na2WO4的质量浓度为10 g／L时，微弧氧化膜的显微硬度可达9 800 MPa［6］。这是因为随着Na2WO4的质量浓度的增加，微弧氧化膜的孔隙越来越小，显微硬度越来越大。SiC 作为一种添加剂也可以提高微弧氧化膜的显微硬度和耐磨性［7］。

Na2WO4和铵盐均能使微弧氧化膜的孔隙变小，使微弧氧化膜变得光滑［8］。Na2WO4的存在增加了氧离子和铝离子的结合，在试样的缺陷处吸附，填补了孔隙，生成的微弧氧化膜结构致密、性能优良［9］。

在电解液中添加铈、镧和SiC微粒，均可以提高微弧氧化膜的致密性和耐磨性［10］。在硅酸钠体系中添加Na2WO4，可以抑制疏松层的增厚，提高微弧氧化膜的耐磨性［11］。

2 工艺参数对微弧氧化膜性能的影响

2.1 电流密度

刘俊超等［12］研究了电流密度对微弧氧化膜的厚度、粗糙度及成膜速率的影响。结果表明：电流密度应控制在10～15A／dm2范围内。

随着电流密度的增大，微弧氧化膜的孔隙率明显上升，致密性下降。邵忠财等［13］的研究表明：随着电流密度的增大，陶瓷层及其致密层的增长速率均加快；当电流密度大于6.2A／dm2时，致密层的增长幅度明显减缓，增长速率不再随电流密度的增大而增大。

微弧氧化膜的显微硬度与其相组成及致密性有关。段关文等［14］的研究表明：随着电流密度的增大，微弧氧化膜的显微硬度增大；当电流密度超过8 A／dm2时，微弧氧化膜的显微硬度趋于稳定。

随着电流密度的增大，微弧氧化膜表面的微孔数量越来越少，但微孔的孔径却越来越大。杜军等［15］指出：当电流密度为10A／dm2时，微弧氧化膜表面的微粒与孔洞较小；当电流密度为20 A／dm2时，微弧氧化膜较致密；当电流密度达到30A／dm2时，微弧氧化膜较粗糙，出现明显的微裂痕。

2.2 电压

微弧氧化膜的厚度与电压成正比，电压越高，微弧氧化膜的厚度越大，但其粗糙度也越大。刘俊超等［12］指出：电压低于500V 时，其对微弧氧化膜厚度的影响不是很明显；高于500V 后，较小的电压差异就会使微弧氧化膜的厚度发生很大的变化，而微弧氧化膜的生长速率则是先增大后减小。在硅酸盐体系下，提高正负向电压都有利于提高微弧氧化膜的厚度和均匀性，负向电压对微弧氧化膜的影响更明显［16］。

2.3 氧化时间

随着氧化时间的延长，微弧氧化膜的厚度增加，膜层的平均生长速率下降。研究表明［17-18］：在恒流下，20min前，微弧氧化膜的厚度随氧化时间的增加而呈线性增加；20min后的增长速率是20min内的2倍；30min以后，微弧氧化膜的厚度基本不变。

随着氧化时间的延长，微弧氧化膜表面的微孔数量明显减少，但微孔的孔径明显变大，微弧氧化膜的致密性下降。李忠盛等［19］的研究表明：当氧化时间为60min时，微弧氧化膜表面环形微粒的直径约为10～20μm；当氧化时间增加到160min时，微弧氧化膜表面环形微粒的直径增加到30μm。

微弧氧化膜的显微硬度随氧化时间的延长而增大。李红霞等［20］在电流密度20 A／dm2，氧化时间90min的条件下，制得显微硬度为11 800 MPa的微弧氧化膜。薛文斌等［21］的研究表明：微弧氧化膜的平均显微硬度随膜厚的增加而增大，显微硬度峰值也随膜厚的增加而增大，最高的显微硬度值达到20 000 MPa。

厚度、致密性、相组成是影响微弧氧化膜耐蚀性的三个主要因素。杜军等［15］指出：当氧化时间低于15min时，微弧氧化膜的抗点蚀性能随氧化时间的增加而增强；继续延长氧化时间，抗点蚀性能变化不大；超过20min时，抗点蚀性能迅速下降。

2.4 温度

温度应控制在50℃以下，温度太高不利于微弧氧化的进行。温度越高，成膜速率越快，但其粗糙度也随之增加。王永等［22］的研究表明：随着电解液起始温度的升高，微弧氧化膜的厚度出现了先增加后减小再增加的变化趋势，分别在40℃和50℃时取得最大值和最小值。

2.5 脉冲频率

随着脉冲频率的增大，微弧氧化膜的厚度先减小后趋于稳定，粗糙度先减小后增大，成膜速率逐渐降低。脉冲频率越大，单脉冲放电能量越小，击穿熔融后所形成的微孔也越小，陶瓷层比较致密［23］。

3 结语

与阳极氧化膜相比，微弧氧化膜具有较高的综合性能。由于微弧氧化膜具备了阳极氧化膜和陶瓷喷涂层两者的优点，微弧氧化在许多领域都有着广阔的应用前景。

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