鋁合金微弧陽極化及加工技術

摘要：航空發動機從頭部到尾部共有三級作動筒，分別控制著低壓、高壓壓氣機的葉片角度和尾噴口部位加力噴口大小。為了減輕重量，前面兩級作動筒都是鋁合金材質，以往的硫酸陽極化已經不能滿足惡劣環境的防腐要求，急需有新技術和新工藝來解決上述問題，微弧陽極化的出現解決了上述問題。

關鍵詞：鋁合金；防腐； 微弧陽極化 ； 珩磨； 加工

中圖分類號：TG174.453 文獻標識碼：A

隨著先進發動機推重比的提高，鋁合金、鎂合金的材料特性越來越受到關注。但由于鋁合金、鎂合金自身在耐腐蝕性、耐磨性等性能上存在不足，極大地限制了這類材料的應用領域。鋁合金現行工藝采用普通硫酸陽極化和局部硬質陽極化處理，這種防護方法雖然可一定程度上提高了基體的耐腐蝕性和耐磨性，但對于一些工作環境特殊的典型零件，如整流帽罩、作動筒筒體等，不僅要求具有較高的耐腐蝕性，而且要求具有較高的耐磨性和抗沖刷性能。因此研究開發先進的表面防護處理技術，提高鋁合金、鎂合金在復雜環境的“三防”（防鹽霧、防濕熱、防霉菌）能力是我們在先進發動機研制過程中亟待解決的課題。采用微弧陽極化防護技術，使鋁合金、鎂合金材料的耐鹽霧腐蝕、耐濕熱腐蝕、耐霉菌腐蝕、耐磨等性能均得到了顯著提高，從而達到了某型號機發動機設計標準要求。

1 微弧陽極化原理

微弧陽極化技術是在陽極氧化技術基礎上發展起來的，它突破了傳統的陽極氧化電流、電壓的限制，在高電壓大電流的作用下，改變了普通陽極化膜層的物理、化學和機械特性，使鋁合金、鎂合金表面膜層的耐腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損、絕緣等綜合性能得到了顯著提高。微弧氧化的具體過程可以描述如下：Al合金、Mg合金材料零件作為陽極放入電解質溶液中，通電后立即在金屬表面陽極氧化生成很薄的氧化物絕緣膜，當工件上施加的電壓超過某一臨界值時，即施加在電極上的工作電壓達到火花放電區后，絕緣膜上某些薄弱的部位產生放電擊穿，發生微弧放電現象，在微弧火花放電瞬間高溫的作用下，微弧放電區域內氧化物發生瞬間熔化，當熔融態的反應產物接觸到溶液時立即被冷卻并快速凝結成穩定的固態氧化物沉積于電極表面，并與基體形成冶金結合的陶瓷性微弧氧化膜，恢復該局部區域的絕緣性；由于在冷凝過程中，膜層內存在較高的熱應力，使微弧氧化膜中產生微裂紋，即出現新的容易被火花放電擊穿的薄弱點。這一過程周而復始，使得氧化膜不斷生長并增厚。同時由于擊穿總是在氧化膜相對薄弱部位發生，因此最終形成的氧化膜是均勻的。由此可見，微弧氧化過程是個極其復雜的過程。

1.1 微弧陽極化技術工藝特點

1.1.1 大幅度地提高了材料的表面硬度， 顯微硬度在1000至2000HV（維氏硬度），最高可達3000HV，可與硬質合金相媲美，大大超過熱處理后的高碳鋼，高合金鋼和高速工具鋼的硬度。

1.1.2 良好的耐磨性能、良好的耐熱性及抗腐蝕性。這從根本上克服了鋁、鎂、鈦合金材料在應用中的缺點。

1.1.3 有良好的絕緣性能， 絕緣電阻可達100mω。

1.1.4 溶液為環保型，可達到零排放標準，符合環保排放要求。

1.1.5 工藝穩定可靠，設備工藝簡單。

1.1.6 反應在常溫下進行，操作方便，易于掌握。

1.1.7 基體原位生長陶瓷膜，致密均勻，結合牢固，與基體結合力達250～300Mpa。

1.2 與陽極氧化相比，微弧陽極化具有下列特點

1.2.1 微弧陽極化采用弱堿性溶液，對周圍環境不造成污染，屬于清潔加工工藝和環保型表面處理技術，微弧陽極化中只放出氫氣、氧氣，對人體無害；

1.2.2 工藝簡單，特別對于工業樣品的預處理不像陽極氧化要求的那樣嚴格和繁雜，只要求樣品表面去污去油，不需要去除表面的自然氧化層，也不需要表面打磨。

1.2.3 微弧陽極化可以一次完成，也可以分幾次完成。特別對于氧化膜要求很厚的樣品可以分幾次氧化，而陽極氧化一旦中斷就必須重新開始。

1.2.4 在陽極氧化不易成膜的某些鋁合金如Al-Cu、Al-Si等合金表面，同樣可獲得性能很好的厚膜，尤其在Al-Cu合金表面（如LY12合金），可以形成高硬度的厚膜，HV可達到1600以上。

該技術是一項具有廣泛應用前景的金屬材料表面改性技術，特別適用于高速旋轉、耐磨損、耐腐蝕、絕緣性好的鋁、鎂、鈦合金零部件的表面處理。在工業生產的各個方面以及航空航天、兵器制造石油化工等行業中有著及其廣泛的應用前景。

2 膜層生長規律

通過某型發動機作動筒做微弧陽極化試驗摸索出膜層生長規律，從而控制微弧陽極化后零件的尺寸加工余量。考慮到測量誤差，膜層平均向外生長要比向內生長小一些。

3 微弧陽極化之后零件的加工

做完微弧陽極化之后的零件硬度較高，并且脆性較大，加工的時候只能采用磨削加工。磨削加工有兩種方法，一種是在內圓磨床上加工后再用羊毛氈輪輔助加以研磨膏拋光；另一種是在珩磨機上珩磨。一般要求作動筒內孔表面的粗糙度為Ra0.20μm，通過實踐證明，珩磨的效果是最好的。下面簡要的分析一下這兩種加工方法的孰優孰劣。

3.1 內圓磨床加工

在內圓磨床上對零件進行裝夾固定，找正零件后就可以進行加工，加工過程中對零件的冷卻沒有特殊的要求，只需要正常的冷卻即可。這種方法可以消除零件因為做完微弧陽極化之后帶來的內孔增加尺寸不一致帶來的橢圓度，完全可以修正過來。

磨削完內孔的零件可以在改造過的內圓磨床上用研磨膏拋光，拋光后的零件在潔凈的汽油中清洗干凈，該零件即宣告加工完成。

3.2 珩磨加工

在立式珩磨機上用珩磨頭加工，油石條采用金剛石材質。冷卻潤滑采用航空煤油，通過反復加工，加工表面的粗糙度很好，在很短的時間內就可以達到Ra0.20μm的粗糙度。該種方法加工可以有很高的加工效率，很高的表面加工質量。適用于有珩磨機的加工企業。

對于條件不具備或者條件不成熟的加工企業可以采用第一種方法加工，但是效率較為低下。為了保證零件內孔的圓柱度，最好是在內圓磨床上加工保證零件內孔的圓柱度，再通過珩磨機珩磨保證內孔的粗糙度。

結語

總體來說，鋁合金微弧陽極化技術在航空發動機行業的應用尚屬首次，由于零件結構和應用環境的特殊性，還有些技術問題和工藝方法尚待探索和進一步改進。比如，做完微弧陽極化后的零件在周轉運輸和加工過程中一定要小心輕拿輕放，最好有獨立的包裝箱對每一個零件進行單獨運輸，因為在周轉的過程中只要有輕微的磕、碰就會將表層的陽極化層碰掉，脆性太大，表面一旦有損傷，就會喪失保護作用，對于航空發動機的使用環境來說就會帶來不利的影響。在這方面還需要我們的技術人員繼續努力，逐步解決上述問題。

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