鋁合金表面改性技術的研究

劉小斐

摘 要：較系統地評述國內外鋁合金表面改性技術的研究與應用情況，介紹了最近發展的陽極氧化技術和等離子體微弧氧化技術，重點研究了激光熔覆技術特點和研究現狀等，并對激光熔覆技術提出了展望。

關鍵詞：鋁合金；表面改性技術；激光熔覆

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.056

1 前言

鋁合金具有質量輕，比強度和比剛度高，耐腐蝕性好，熱傳導和加工成型性好等優點，在航空、航天、汽車、船舶交通運輸及化工、食品等許多領域中廣泛應用。但鋁合金的硬度低、耐磨性差，電極電位較低，容易作為陽極產生嚴重的電偶腐蝕，這些缺點嚴重限制了鋁合金的使用范圍。

為了改善鋁合金的表面性能，擴大其應用范圍并延長使用壽命，表面改性技術成了研究的熱點。目前，在研究改變鋁合金表面性能的技術中，研究較多的有陽極氧化、等離子噴涂耐磨、等離子微弧氧化、耐腐蝕涂層技術、鋁合金基體鑲鑄耐磨材料等技術，而對鋁合金激光表面改性技術，尤其是激光熔覆技術研究的并不是很多。本文對國內外在鋁合金表面改性技術方面的發展情況進行了綜述，并討論了激光熔覆表面改性技術的特點和發展前景。

2 常用的方法有

2.1 陽極氧化法

鋁合金表面改性技術中陽極氧化是應用最廣與最成功的技術，現有的陽極氧化工藝大都采用酸性電解液。陽極氧化法是把鋁及其合金置于硫酸、草酸等電解溶液中，并作為陽極，在外加電壓的作用下使其表面進行電解，表面生成一層致密的Al2O3 氧化膜膜。 在Al2O3氧化膜形成過程中，同時伴隨著氧化膜溶解的過程。當生成的速度大于其溶解速度，即可形成一定厚度的氧化膜。該膜是由致密的阻礙層和柱狀結構的多孔層組成的雙層結構，與天然的鋁合金膜相比顯著的提高了其耐蝕性、耐磨性。但陽極氧化技術常見的缺陷有：黑斑點、色澤條紋（帶）狀、表面不均勻。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[1]。

2.2 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、Ti、Mg、Zr、Ta和Nb等金屬或其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[2-7]。

金屬材料膜層與基體結合力強，形成的陶瓷化膜層厚度范圍較寬，基體表面上獲得具有高硬度、耐腐蝕、耐磨損、抗熱震等的性能。據工藝參數及電解液成份的不同，可以制備出不同性能的陶瓷膜層，保證使用性能不變的前提下，用廉價的金屬材料取代價格昂貴的金屬材料，不僅降低了成本，同時可以獲得一些其它表面強化技術所無法得到的特殊性能，拓寬了原金屬的使用范圍。這種技術也已成為國內外研究人員對材料表面改性技術的追蹤熱點。但是，微弧氧化技術也有一定的缺陷，其耗能較高、高溫電解液不容易冷卻、噪聲也較高，且只針對可導電的金屬或合金可以應用，而對于非導電材料卻實現不了。

2.3 激光熔覆

激光熔覆又稱激光熔敷，是近二十年來發展起來的一種只改變表面薄層的性質而不影響構件整體特性的方法。其具體定義是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、 抗氧化及電器特性等的工藝方法。激光熔覆工藝方法有兩種：預置式激光熔覆和同步式激光熔覆。預置式激光熔覆是將先將粉末與粘接劑混合后事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描熔化，干燥后得到涂層。同步式激光熔覆是將熔覆材料在激光照射到基體的同時送粉，使供料和熔覆同時完成，冷卻后得到熔覆層。二種方法不同但效果相似。激光熔覆技術工藝比較復雜既有物理的過程，又有化學冶金的過程，而且參數也較多。主要參數有激光功率、光斑直徑、送粉速度、掃描速度、熔池溫度等， 對熔覆件的質量影響很大，所以根據覆層的厚度、種類的不同需要，正確選擇參數非常重要。同時，各參數之間也相互影響，必須選擇適當的方法控制各種影響因素。當前激光熔覆應用在對材料的表面改性、快速原型制造和對關鍵零部件表面進行激光熔覆超耐磨抗蝕合金提高零部件的使用壽命，而在鋁合金材料的表面改性技術上取得了很大的經濟效益。

從20世紀80年代后期，國外的研究者們在激光熔覆技術方面的研究越來越多，在激光熔覆的工藝理論、熔覆層的組織性能及激光熔覆的自動化設備等方面都取得了很大的進展。在國內最早人們利用激光熔覆技術在活塞上熔覆復合涂層來提高活塞的硬度和耐磨性。隨后這項技術的應用逐漸被推廣，在選擇涂層的材料的同時，人們開始注意到了稀土元素的特點，結合輕合金本身的優點，彌補了輕合金的缺點，尤其在鋁合金方面的研究更為顯著。如鋁合金中鋁基非晶合金于其具有低密度、高的延展性等優點，受到廣泛的關注，利用激光熔覆技術可有效地提高鋁合金表面的硬度和耐磨性。通過激光熔覆制備非晶涂層的研究也成為國內近年來學術界研究的熱點。

3 總結

隨著科學技術的不斷發展，鋁合金應用到了各行各業中，特別是在航空、航天、汽車交通運輸、建筑、化工、生物醫用等領域的應用日益廣泛，對鋁合金表面改性技術的要求也不斷提高，改善鋁合金表面功能的性能，使鋁合金材料能在各種工作環境中使用，需要激光熔覆技術的進一步推廣。今后除了在激光熔覆的基礎理論研究外，還將在熔覆材料的設計與開發、激光熔覆設備的改進與研制、激光熔覆的快速成型技術、熔覆過程控制的自動化等幾個方面繼續發展，具有廣闊的前景。

參考文獻：

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[7]侯亞麗，劉忠德.微弧氧化技術的研究現狀[J].電鍍與精飾，2005，27（03）：24.

項目名稱：鋁及鋁合金制件表面稀土涂層制備，項目編號：EJY1404