浅论铝合金表面改性技术研究进展

　　论文关键词:铝合金；表面改性；研究进展 
　　论文摘要:综述了近年来铝合金表面改性技术取得的研究进展，重点介绍了激光熔覆、阳极氧化和等离子体微弧氧化等方法在铝合金表面制备膜层的原理、特点及研究成果，并对等离子微弧氧化技术提出了展望。 

　　一、前言 
　　 
　　常用的铝合金表面改性技术有激光熔覆、阳极氧化、等离子微弧氧化等，有关这些方法的研究均取得了较大进步。等离子微弧氧化是一种新型表面陶瓷化技术，近年来，其相关文章报道较多，已成为铝合金表面改性技术研究的热点，具有广阔的发展前景。 
　　 
　　二、常用的铝合金表面改性技术 
　　 
　　（一）激光熔覆 
　　激光熔覆技术是采用高能激光束将金属-陶瓷复合粉末熔于基材表面，获得金属陶瓷复合层的工艺。其工艺方法有两种：预置涂层法和同步送粉法。预置涂层法是先将粉末与粘接剂混合后涂于基体表面，干燥后进行激光加热。同步送粉法是在激光照射到基体的同时侧向送粉，粉末熔化而基体微熔，冷却后得到熔覆层。二者方法不同但效果相近，即熔覆层通常与施加的合金粉末的化学成分相近，熔覆层与基体之间为冶金结合，只有在界面结合层的较窄范围内，施加合金粉末才受到基体的稀释。 
　　激光熔覆是一个复杂的工艺过程，工艺参数较多，可分成4类：1.激光系统本身，如光束模式、功率稳定性等；2.基体，如基体材质、表面状态等；3.涂层材料的特性及涂置工艺；4.处理条件，包括光束大小与形状、功率大小及扫描速度等[7]。对于铝合金的激光熔覆，根据覆层种类和厚度，正确选择激光参数很重要。如果能量输入不足，不仅得不到熔化良好、凝固致密的覆层，更得不到良好的冶金结合层。如果输入的能量密度过大，覆层又会因铝合金基材过多熔化稀释，使性能显著恶化，而且还增多了涂层的气孔等缺陷。  本文来自中国科教评价网
　　激光熔覆金属表面陶瓷层的优点是：可以使陶瓷涂层和金属基体达到冶金结合，提高了陶瓷层和基体的结合强度；消除了陶瓷层中大部分孔洞和裂纹，提高了陶瓷层的致密度；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。不足之处是界面的稀释度较大；界面上易形成脆性相和裂纹；在实际应用中涂层的尺寸精度、对基体复杂形状的容许度、表面粗糙度等问题未能很好地解决。 
　　（二）阳极氧化 
　　铝合金阳极氧化方法有硫酸阳极氧化法、草酸法、铬酸法、磷酸法、有机酸法和混合酸法等。现有的阳极氧化工艺大都采用酸性电解液。根据电解液的种类不同，可以得到阻挡型氧化膜和多孔型氧化膜。在含有硼酸-硼酸钠混合水溶液的中性溶液（pH值为5-7）中和在酒石酸铵、柠檬酸、马来酸、乙二醇等水溶液中进行阳极氧化时，可得到阻挡型的氧化膜。因为这些水溶液溶解氧化物的能力较弱，所以在铝合金表面形成致密的氧化薄膜。阻挡型氧化膜的厚度取决于阳极氧化时的电压，电压越高，膜越厚。但阳极氧化电压不能无限升高，临界值为500-700V。如果超过临界值，铝合金表面会发生火花放电而破坏氧化膜的绝缘性。铝合金在硫酸、铬酸、磷酸、草酸等酸性溶液中阳极氧化时，可得到多孔质型氧化膜。多孔质型氧化膜也称为复合氧化膜，是由两层膜组成的，紧靠铝基体的一层叫阻挡层，外面的一层叫多孔质层。多孔质层的厚度取决于电解时间。阻挡型氧化膜与多孔型氧化膜相比较，不同点就是前者氧化膜的厚度不受电解时间和电解液温度过高的影响。 
　　阳极氧化膜具有蜂窝状结构，膜层的孔隙率常常由于电解液的溶解能力和膜层的生长速率不同而不同。氧化膜的硬度大约在196-490Hv[13]，厚度一般为几个微米到几十个微米。 大学排名
阳极氧化膜组织结构受电解液类型、工艺参量及氧化前处理等多种因素决定。近年来对硫酸法氧化液中添加卤化胺类-金属（半金属）卤化物的络合物。可提高铝合金表面氧化层的沉积速度，并可使用更高的阳极电流密度而不烧损氧化膜，所得到的氧化膜均匀致密，有更好的光泽性、耐磨性和抗腐蚀性，且易于着色。铝合金尤其是高硅铝合金，由于硅组元偏析，氧化膜溶解速度大及铝制件边角氧化膜易烧损等，很难形成优质氧化膜，目前人们试验将木质素、木质素酸或其它盐类加到酸性阳极氧化电解液中，可以提高氧化膜的厚度和硬度，铝合金硬质阳极氧化工艺，氧化膜厚度可达35-40μm。脉冲阳极氧化膜的最大厚度可达100-200μm以上，硬度为450-650Hv，而且氧化膜厚度的波动性较小，分散均匀。 
　　阳极氧化不仅改进和提高了铝合金表面性能，如耐磨性、耐蚀性、表面硬度等，而且可以赋予表面各种颜色，大大提高铝合金的装饰性。但阳极氧化膜上有时会出现色泽不均、黑斑点、烧蚀、表面粗糙、流痕、膜厚不均匀以及剥落等缺陷。按照外观形态，可将阳极氧化表面缺陷分成三大类：1.条纹（带）状缺陷；2.斑点状缺陷；3.不均匀（不正常）表面[17]。这些缺陷的产生与材质、预处理、阳极氧化、后处理以及封孔、着色过程的工艺参数和操作有着密切关系。 
　　（三）等离子体微弧氧化