鋁合金表面改性材料工程
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論文摘要:綜述了近年來鋁合金表面改性技術取得的研究進展，重點介紹了激光熔覆、陽極氧化和等離子體微弧氧化等方法在鋁合金表面制備膜層的原理、特點及研究成果，并對等離子微弧氧化技術提出了展望。
一、前言
常用的鋁合金表面改性技術有激光熔覆、陽極氧化、等離子微弧氧化等，有關這些方法的研究均取得了較大進步。等離子微弧氧化是一種新型表面陶瓷化技術，近年來，其相關文章報道較多，已成為鋁合金表面改性技術研究的熱點，具有廣闊的發展前景。
二、常用的鋁合金表面改性技術
（一）激光熔覆
激光熔覆技術是采用高能激光束將金屬-陶瓷復合粉末熔于基材表面，獲得金屬陶瓷復合層的工藝。其工藝方法有兩種：預置涂層法和同步送粉法。預置涂層法是先將粉末與粘接劑混合后涂于基體表面，干燥后進行激光加熱。同步送粉法是在激光照射到基體的同時側向送粉，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成分相近，熔覆層與基體之間為冶金結合，只有在界面結合層的較窄范圍內，施加合金粉末才受到基體的稀釋。
激光熔覆是一個復雜的工藝過程，工藝參數較多，可分成4類：1.激光系統本身，如光束模式、功率穩定性等；2.基體，如基體材質、表面狀態等；3.涂層材料的特性及涂置工藝；4.處理條件，包括光束大小與形狀、功率大小及掃描速度等[7]。對于鋁合金的激光熔覆，根據覆層種類和厚度，正確選擇激光參數很重要。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合層。如果輸入的能量密度過大，覆層又會因鋁合金基材過多熔化稀釋，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點是：可以使陶瓷涂層和金屬基體達到冶金結合，提高了陶瓷層和基體的結合強度；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；在實際應用中涂層的尺寸精度、對基體復雜形狀的容許度、表面粗糙度等問題未能很好地解決。
（二）陽極氧化
鋁合金陽極氧化方法有硫酸陽極氧化法、草酸法、鉻酸法、磷酸法、有機酸法和混合酸法等。現有的陽極氧化工藝大都采用酸性電解液。根據電解液的種類不同，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、馬來酸、乙二醇等水溶液中進行陽極氧化時，可得到阻擋型的氧化膜。因為這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極氧化時的電壓，電壓越高，膜越厚。但陽極氧化電壓不能無限升高，臨界值為500-700V。如果超過臨界值，鋁合金表面會發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極氧化時，可得到多孔質型氧化膜。多孔質型氧化膜也稱為復合氧化膜，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層。多孔質層的厚度取決于電解時間。阻擋型氧化膜與多孔型氧化膜相比較，不同點就是前者氧化膜的厚度不受電解時間和電解液溫度過高的影響。
陽極氧化膜具有蜂窩狀結構，膜層的孔隙率常常由于電解液的溶解能力和膜層的生長速率不同而不同。氧化膜的硬度大約在196-490Hv[13]，厚度一般為幾個微米到幾十個微米。
陽極氧化膜組織結構受電解液類型、工藝參量及氧化前處理等多種因素決定。近年來對硫酸法氧化液中添加鹵化胺類-金屬（半金屬）鹵化物的絡合物。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，很難形成優質氧化膜，目前人們試驗將木質素、木質素酸或其它鹽類加到酸性陽極氧化電解液中，可以提高氧化膜的厚度和硬度，鋁合金硬質陽極氧化工藝，氧化膜厚度可達35-40μm。脈沖陽極氧化膜的最大厚度可達100-200μm以上，硬度為450-650Hv，而且氧化膜厚度的波動性較小，分散均勻。
陽極氧化不僅改進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。但陽極氧化膜上有時會出現色澤不均、黑斑點、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，可將陽極氧化表面缺陷分成三大類：1.條紋（帶）狀缺陷；2.斑點狀缺陷；3.不均勻（不正常）表面[17]。這些缺陷的產生與材質、預處理、陽極氧化、后處理以及封孔、著色過程的工藝參數和操作有著密切關系。
（三）等離子體微弧氧化
等離子體微弧氧化（PMAO）又稱微等離子體氧化（MPO）、陽極火花沉積（ASD）或火花放電陽極氧化（ANOF）,這是一種直接在有色金屬表面原位生長陶瓷層的新技術。它是近十幾年在陽極氧化基礎上發展起來的，但兩者在機理、工藝及膜層性質上有許多區別。其原理是：將Al、Mg、Ti等有色金屬或合金置于電解質水溶液中，利用電化學方法在材料表面微孔中產生火花放電斑點，在熱化學、等離子體化學和電化學的共同作用下，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，可以在基體與外來陶瓷膜層物料間形成氣相攪拌，使之充分混合、反應并燒結，通過合理控制沉積速率、反應速度及燒結能量，即可在基體（陽極工件）表面上獲得具有較高硬度、膜層與基體結合性能良好的陶瓷化膜層；同時，由于參與反應并形成陶瓷相的物料離子在液體中受到電場力作用可均勻傳輸到基體附近的空間，在膜層的均勻性、對基體形狀尺寸允許程度等方面會有較好保證。通過改變電解液成份及工藝參數，可以制備出不同化學成份配比、晶體結構類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內形成熔融區，使膜層與基體之間形成微區冶金結合，提高了膜層與基體之間的結合能力。
由于等離子體微弧氧化技術具有工藝簡單、處理效率高、工藝成本低、無污染等特點，所制得的陶瓷膜除具有一般結構陶瓷涂層的耐磨、耐蝕、耐高溫等優異特點外，還可以根據不同的性能要求，制備出具有裝飾、磁電屏蔽、電絕緣等功能性膜層。因此該技術已成為國際材料研究的熱點之一，在航空、航天、建筑、紡織、電子工業等領域具有廣闊的應用前景。該技術的推廣應用一定會推動我國表面處理行業、輕合金加工制造行業及相關行業的技術進步。
三、結語及展望
隨著時代的進步和發展，鋁合金在各行各業中的應用，特別是在航空、航天、建筑、化工、汽車、電子、通信等領域的應用日益廣泛，用量比例也越來越大，對鋁合金表面改性技術的要求也越來越高，只有賦予其各種優異表面功能特性，使鋁合金材料在使用中能承受更加惡劣的工作條件和環境，才能拓寬鋁合金的使用范圍。
等離子體微弧氧化技術的推廣和應用一定會推動金屬表面處理技術的進步，具有廣闊的應用前景。
參考文獻：
[1]鄧志威,薛文彬等.鋁合金表面微弧氧化技術.材料保護,1996;29(2):15~16
[2]孔慶山,尚久琦.等離子體增強電化學表面陶瓷化技術.材料保護,1995;28(7):21-22
[3]劉兆晶,左洪波,束術軍等.鋁合金表面陶瓷膜層形成機理.中國有色金屬學報,2000;10(6):859~863
