2519鋁合金表面微弧氧化膜的結構與耐蝕性能

呂敬高

(海軍駐湖南地區軍事代表室，湘潭411101)

2519鋁合金表面微弧氧化膜的結構與耐蝕性能

呂敬高

(海軍駐湖南地區軍事代表室，湘潭411101)

研究了2519 鋁合金微弧氧化膜表面形貌、截面形貌特征與成分分布特點、相結構以及微弧氧化膜的耐蝕性能。結果表明，氧化膜為55 μm厚膜時主要由α-Al2O3、γ-Al2O3和Al6Si2O13組成，并有非晶相；截面形貌呈現明顯的兩層結構特征，致密層厚約35 μm，表面疏松層厚約20 μm。致密層中Al、Cu、O含量均高于表面疏松層的，而表面疏松層Si含量明顯高于致密層的，Al6Si2O13主要分布于表面疏松層。該氧化膜使鋁合金試樣的Icorr減小3個數量級以上，并明顯提高了腐蝕電位。

鋁合金 微弧氧化 腐蝕

0 引言

2519鋁合金屬于高Cu/Mg比含量Al-Cu-Mg系變形鋁合金，具有良好的抗彈性能和抗應力腐蝕性能，是一種主要用于兩棲裝甲突擊車、艦船等結構件的新型鋁合金[1-4]。

微弧氧化(MAO-Microarc Oxidation)是一種在有色金屬表面原位生長陶瓷氧化膜的液相等離子體電化學處理技術，自1980年代中、后期以來已成為國際研究熱點并開始應用[5-10]。采用該技術可望在2519鋁合金表面形成一層致密、與基體結合力強的陶瓷氧化膜，從而賦予該鋁合金表面更優的耐蝕、耐磨、耐熱沖擊等性能特點。

本文采用掃描電鏡（SEM）觀察分析了2519鋁合金微弧氧化膜表面形貌與截面形貌特征，用能譜儀獲得了截面成分分布，用X射線衍射分析了微弧氧化膜的相結構，用電化學極化曲線測試評價了微弧氧化膜的耐蝕性能。

1 實驗方法

2519 鋁合金為2 mm厚板材，T87狀態，成分為(質量分數, %) : Cu5.9，Mn0.28，Mg0.22，Zr0.18，Fe0.15，Ti0.06，Si0.05，余量為Al。板材抗拉強度σb=490 MPa，σ0.2=445 MPa，δ為11%。2519 鋁合金板材表面微弧氧化處理在微弧氧化專用設備上進行，電解液為硅酸鹽體系，處理時間分別為10 min和80 min，以獲得兩種不同厚度的微弧氧化膜（膜厚分別約為7-10 μm和55 μm）。

在Siemens D 5000 X射線衍射儀上進行衍射分析，管電壓36 kV，管電流30 mA，Cu耙，角步距0.03°。用掃描電鏡觀察分析微弧氧化膜表面形貌、截面形貌，用能譜儀進行成分測試。

采用三電極體系在Solartron SI 1287型電化學綜合測試儀上測定樣品在25℃下質量濃度3.5%的NaCl水溶液中的極化曲線，用來評價耐腐蝕性能。試樣曝露面積1 cm2，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，動電位掃描速度 1 mV·s－1。

2 結果分析及討論

2.1 微弧氧化膜表面形貌特征

圖1給出了2519鋁合金表面微弧氧化膜的表面形貌特征。由圖1（a）可見，微弧氧化膜為薄膜時，其顆粒平均直徑約4-5 μm，孔洞直徑多為1-2 μm，氧化膜層顆粒明顯存在熔化痕跡，表面上分布的孔洞是微弧氧化的放電通道，即溶液與基體反應通道，為氣體及熔融物噴出時所形成。由圖1（b）可見，微弧氧化膜為厚膜時的表面形貌完全不同于圖1（a）的，表面分布著很多細小顆粒，由細小顆粒構成的大顆粒平均直徑約25 μm，不存在明顯的孔洞。

2.2 微弧氧化膜相結構

圖2（a）為2519鋁合金微弧氧化膜薄的情況下表面X射線衍射圖譜。由圖可見，基體鋁合金衍射峰強度大，氧化膜的衍射強度低，為γ-Al2O3的衍射峰，未出現明顯的α-Al2O3衍射峰。

圖2（b）給出了2519鋁合金微弧氧化膜厚的情況下表面X射線衍射圖譜。圖譜中基體鋁合金的衍射峰很弱。由圖可見，其微弧氧化膜主要由α-Al2O3、γ-Al2O3和Al6Si2O13（3Al2O3·2SiO2）組成，并且存在非晶相。根據文獻[8,10]，可由圖2 （b）中α-Al2O3的（113）衍射峰和γ-Al2O3的（400）衍射峰的相對強度計算氧化膜表層α-Al2O3與γ-Al2O3的比值為0.656。

顯然，隨著氧化膜厚度增大，氧化膜表層中γ-Al2O3比例減小，α-Al2O3比例增大。研究表明，當熔融Al2O3液滴溫度小于1700℃時，α相臨界成核自由能大于γ相臨界成核自由能[10]。若熔融Al2O3冷卻速度快，則由于具有較大過冷度而使γ相的形核率大于α相的形核率。微弧氧化過程中，熔融的Al2O3同電解液接觸面的冷卻速率大，而由于氧化膜的導熱率低，熔融Al2O3同膜孔壁和已凝固氧化膜接觸面的冷卻速率小。因此氧化膜厚度越大，這一現象越嚴重。氧化膜膜薄時，孔隙率較大，熔融Al2O3受電解液直接液冷，冷卻速率高，易形成γ-Al2O3，而當氧化膜層厚度大時，其孔隙率小，堆積在已形成氧化膜表面的熔融Al2O3僅僅是與電解液接觸的極薄表層冷卻速率大而易形成γ-Al2O3，未與電解液直接接觸的熔融Al2O3主要通過Al2O3的熱傳導冷卻凝固，冷卻速率低，易形成α-Al2O3。

微弧氧化過程中，電解液中的SiO32-離子參與了微弧氧化膜的形成，當其移動到界面時發生陽極化反應：SiO32--2e → SiO2+(1/2)O2[ 8]。微弧氧化過程中的等離子放電所形成的高溫將導致SiO2擴散進入熔融的Al2O3而形成Al6Si2O13化合物。這將導致氧化膜內Si含量明顯高于基體鋁合金的。

2.3 微弧氧化膜截面形貌與成分分布特點

圖3給出了2519鋁合金表面微弧氧化膜的截面形貌。圖3(a)中氧化膜厚度約為6-10 μm，致密層很薄。圖3(b)中氧化膜厚度約為55 μm，并呈明顯的兩層結構特征。緊靠基體鋁合金的氧化膜層致密，基本觀察不到孔洞，該致密層厚度約為35 μm；而微弧氧化膜的表面層（厚約20 μm）分布著大量孔洞，呈現低致密度的疏松結構。

圖4給出了2519鋁合金表面微弧氧化膜為厚膜時截面上元素線掃描分布。由該圖可判斷，氧化膜層厚度約為55 μm。氧化膜含有C、O、Si、Al、Cu等元素，其中C、O和Si的含量高于基體鋁合金的，而Al、Cu含量低于基體鋁合金的。由圖4還可見，同種元素在表面疏松層（約20 μm）和致密層（約35 μm）中的含量也不同。

致密層中Al、Cu、O的含量均高于表面疏松層，而表面疏松層的Si含量明顯高于致密層的。圖4(d)中氧化膜內Cu的3個高峰的出現是由于鋁合金中Al2Cu相經過微弧氧化所致。圖4(f)中氧化膜表面疏松層Si含量較高。這種分布狀態與氧化膜相組成有關，表明Al-Si-O復合化合物Al6Si2O13主要富集在氧化膜的外層中。

2.4 微弧氧化膜的耐蝕性能

圖5給出了樣品在3.5%NaCl溶液中的極化曲線。比較空白試樣和微弧氧化處理試樣的極化曲線，對于空白試樣：腐蝕電流密度Icorr為5.97×10-5，腐蝕電位為-0.547 V，極化電阻Rp為141.7 Ω/cm2，而對于微弧氧化處理的薄膜試樣：Icorr為2.33×10-7，比空白試樣降低2個數量級以上，腐蝕電位為-0.649 V，Rp為7.86×104Ω/cm2，陽極分支曲線的E～logI非常陡峭，說明樣品腐蝕速度快，耐蝕性較差。對于微弧氧化處理的厚膜試樣：Icorr為1.11×10-8，腐蝕電位為-0.258 V，Rp為4.8×106Ω/cm2，可見Icorr減小3個數量級以上，腐蝕電位明顯提高，且陽極分支的E～logI不再呈現薄膜和光面鋁合金那樣的陡峭曲線，說明厚膜的耐蝕性能明顯優于薄膜的。這主要是由于厚約35 μm的致密氧化膜層的作用。鋁合金表面的微弧氧化膜使陰極和陽極曲線均向低電流密度方向變化，說明2519鋁合金經過微弧氧化處理極大地抑制了腐蝕過程中的陽極溶解反應和陰極去極化反應，大大減小了腐蝕速率，提高了耐蝕性能。

3 結 論

1）2519鋁合金微弧氧化膜厚度薄時主要由γ-Al2O3組成，氧化膜厚時主要由α-Al2O3、γ-Al2O3和Al6Si2O13組成，并有非晶相。

2）厚約55 μm的微弧氧化膜，呈現明顯的兩層結構特征，致密層厚約35 μm，表面疏松層厚約20 μm。致密層中Al、Cu、O的含量均高于表面疏松層，而表面疏松層的Si含量明顯高于致密層的。

3）所獲得的厚約55 μm（致密層約35 μm）的微弧氧化膜使2519鋁合金試樣的Icorr減小3個數量級以上，并明顯提高了腐蝕電位。

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Structure and Corrosion Performance of Ceramic Coatings on 2519 Aluminum Alloy by Micro-arc Oxidation

Luv Jinggao
(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

Protective ceramic coating is prepared on 2519 aluminum alloy by micro-arc oxidation (MAO). Features of surface and cross sectional morphology, elements distribution, phase compositions and corrosion performance of MAO coating are investigated. The results show that the coating is composed of α-Al2O3, γ-Al2O3 and Al6Si2O13 with a little amorphous phase. Two layers with different microstructures respectively are observed. The outer layer is about 20 μm and shows many pores. The inner layer is dense with a thickness of about 35 μm. Concentrations of Al, Cu and O in the inner layer is higher than that in the outer layer, and reverse of Si, indicating mullite phase mainly distributes in the outer layer. Compared with the blank, the corrosion current density is reduced by more than 3 orders and the corrosion potential shifts positively by the produced ceramic coating.

aluminum alloy; micro-arc oxidation; corrosion

TG174

A

1003-4862（2013）11-0054-04

2013-09-30

呂敬高(1976-),男，工程師。研究方向：電機工程。