微弧氧化涂層的結構與性能表征方法綜述

邵清瑩

摘? 要：近年來，各行各業都在高速發展，對于金屬的使用也在不斷增多，同時工業生產對于輕量化生產的呼聲越來越高，因此提高輕質合金的性能尤為重要。微弧氧化技術可以顯著的提高輕質合金的耐磨、耐腐蝕性能，且因為涂層質量好以及對環境的污染小受到了的廣泛的應用。為迎合市場需求，加快微弧氧化技術的研究步伐，對微弧氧化涂層進行相應的檢測分析是極其必要的。本文主要介紹了對微弧氧化涂層厚度、粗糙度、表面微觀結構、晶相、耐磨、耐腐蝕等的檢測分析手段，保證了微弧氧化涂層的結構與性能可以極大化的適應各種應用需求。

關鍵詞：微弧氧化;輕質合金;結構與性能;檢測

引言

微弧氧化技術是在陽極氧化基礎上發展起來的一種新型表面處理技術，又稱其為等離子體電解氧化[1]。是將鋁、鎂、鈦等輕金屬合金放置于適當的電解液中，通過外界電源對其施加高壓，使金屬表面產生火花放電現象，通過擊穿基材表面的微孔使其熔融后迅速冷卻凝固從而原位生成陶瓷膜層。通過微弧氧化生長出來的陶瓷膜層與基材結合力好，致密性高，從而可以極大地改善鋁及其合金的耐磨，耐腐蝕性能，因此在航空、航天、船舶、機械、裝飾、電子等領域都有著廣泛的應用。本文主要介紹在實際應用中微弧氧化涂層結構和性能的表征與分析方法，從而為實際生產中檢測涂層性能是否滿足要求提供參考。

1 微弧氧化概述

輕金屬合金的微弧氧化主要是將Al、Mg、Ti等輕金屬及其合金放入電解液中，通電后在金屬表面形成等離子體放電，在熱化學，電化學以及等離子體化學的共同作用下，原位生長出氧化陶瓷膜層。可以根據不同需求，通過控制電流密度，電解液的成分及濃度，氧化時間等來生成不同的微弧氧化膜層。鋁及其鋁合金的微弧氧化是讓電壓突破了傳統陽極氧化的法拉第工作電壓區間，進入到高壓放電區域，在基體上產生微弧等離子體放放電，原位生長出一層氧化鋁薄膜[2]。

微弧氧化的裝置較為簡單，并不需要專門的清洗設備，冷卻循環裝置結構也簡單圖1是微弧氧化設備及工藝的簡圖。

1-脈沖電源;2-鋁合金工件;3-電解液;4-不銹鋼槽，接電源負極;5-循環冷水機

2 微弧氧化涂層結構與性能檢測方法

2.1 涂層厚度測量

微弧氧化制備的涂層主要成分是金屬氧化物陶瓷層，不具備導電性，因此在測厚儀的選擇上也比較受限，目前常見的測厚法大致分為：磁性測厚法、渦流測厚法、超聲波測厚法等，微弧氧化涂層測厚一般選擇渦流測厚儀。其原理是：其測量原理是待電流通過時高頻交流信號在探頭線圈中產生電磁場，探頭靠近被測導體時導體中就會產生渦流，探頭與導體相距越近，則渦流相應的就越大，反射阻抗也就越大，也就表明了探頭與導電基體間距離的越大，也就是導電基體上微弧氧化陶瓷層厚度也越大[3]。測量前，先在未進行微弧氧化處理的干凈預處理試樣上進行校零操作，然后將測厚儀的探頭垂直與試樣表面接觸，讀數即為微弧氧化陶瓷涂層的厚度。注意：測量過程中需要保持試樣處于水平狀態，測厚儀的探頭要與試樣表面垂直。為了盡可能地減少測量誤差，在試樣兩面各取10個點，取出最大值和最小值后，取其平均值即可得到試樣表面氧化涂層的厚度。

2.2 涂層表面微觀形貌

微弧氧化陶瓷膜的形成主要是由于在較高的電壓下，會形成一個很強的電場，金屬基體表面的氧化膜被高壓擊穿，從而產生微弧等離子體放電，等離子放電通道內的溫度極高，甚至可以達到8000K，壓力也可以達到100MPa以上，輕金屬合金的微弧氧化過程極其復雜，同時存在熱化學、電化學、等離子化學等反應，而放電通道也最終由于高溫燒結的作用被封閉了，與此同時，合金表面生成了陶瓷結構的金屬氧化物膜層。由于微弧放電現象貫穿在合金基體的微弧氧化全過程，這樣必然會在基材表面留下大量的放電產物[4]。因此，通過掃描電子顯微鏡探究微弧氧化涂層的內部結構，研究微弧氧化的放電機理極其重要。

掃描電子顯微鏡（英語：Scanning Electron Microscope，縮寫為SEM），簡稱掃描電鏡，是一種電子顯微鏡，通過聚焦電子束掃描樣品的表面來產生樣品表面的圖像。電子與樣品中的原子相互作用，產生包含關于樣品的表面測繪學形貌和組成的信息的各種信號。電子束通常以光柵掃描圖案掃描，并且光束的位置與檢測到的信號組合以產生圖像。掃描電子顯微鏡可以實現分辨率優于1納米。樣品可以在高真空，低真空，濕條件（用環境掃描電子顯微鏡）以及寬范圍的低溫或高溫下觀察到。

采用掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscopy，SEM）對樣品的微觀形貌進行檢測。檢測前，需將試樣切割成適當尺寸，以方便放在樣品臺上進行檢測。然后將試樣放至無水乙醇中，在超聲清洗機中超聲清洗5min，取出后吹干待檢測。由于試樣表面的氧化涂層不導電，所以需要先對試樣進行噴金處理（噴金層厚度大概在10nm左右即可），用導電膠連接樣品臺與所需觀察的樣品表面，保證所觀測試樣表面導電，之后放入掃描電子顯微鏡中觀察其微觀形貌。

2.3 微弧氧化涂層的相組成

微弧氧化涂層的相組成會極大的影響涂層的耐磨、耐腐蝕性能，通過分析微弧氧化涂層的相組成可以有效的研究微弧氧化涂層的生長機理，從而對提高微弧氧化涂層的相關性能起到導向性作用[5]。

X射線衍射儀（X-ray diffractometer，XRD）是利用X射線衍射原理研究物質內部結構的一種大型分析儀器。令一束X射線和樣品交互，用生成的衍射圖譜來分析物質結構。它是在X射線晶體學領域中在原子尺度范圍內研究材料結構的主要儀器，也可用于研究非晶體。

2.4 涂層表面粗糙度檢測

使用表面粗糙度檢測儀對微弧氧化陶瓷涂層表面的粗糙度進行檢測，目前常用的粗糙度檢測方法有：干涉法、針描法、比較法、光切法。干涉法是利用光波干涉原理來測量表面粗糙度。針描法的檢測原理是利用觸針垂直上下劃過起伏輪廓的樣品表面，由于被測表面輪廓峰谷起伏，觸針將在垂直于被測輪廓表面方向上產生上下移動，同時，通過電子裝置將這些信號放大，可得到劃過表面的粗糙度值，精確度可達到0.001μm。比較法一般為車間最常用的方法，由于測量精度太低，實驗室中并不常用。光切法則是利用"光切原理"來測量表面粗糙度。測量工件表面粗糙度時，將傳感器放在工件被測表面上，由儀器內部的驅動機構帶動傳感器沿被測表面做等速滑行，傳感器通過內置的銳利觸針感受被測表面的粗糙度，此時工件被測表面的粗糙度引起觸針產生位移，該位移使傳感器電感線圈的電感量發生變化，從而在相敏整流器的輸出端產生與被測表面粗糙度成比例的模擬信號，該信號經過放大及電平轉換之后進入數據采集系統，DSP芯片將采集的數據進行數字濾波和參數計算，測量結果在液晶顯示器上讀出，也可在打印機上輸出，還可以與PC機進行通訊。因此，可以根據需求選擇相應的粗糙度儀進行涂層表面的粗糙度測量。

2.5 涂層的耐磨損性能檢測

眾所周知，鋁、鎂等合金的摩擦性能比較差，并且，隨著機械部件對材料輕量化的要求越來越高，因此提高鋁、鎂等輕金屬合金的耐摩擦性能具有極為重要的研究價值。通過微弧氧化表面處理方法可以在輕金屬合金的表面生成一層氧化物陶瓷層，這種氧化物陶瓷層與基體的結合較為緊密，從而可以有效的提高輕金屬合金的耐摩損性能。而微弧氧化涂層由外部疏松層和內部致密層組成，其組成成分、結構以及所占的比例都會對涂層的磨損性能起到一定的影響，在實際應用中，某些在特定環境下作業的工件對其耐摩擦磨損性能有著嚴苛的要求，因此，對微弧氧化制備的涂層進行耐摩擦磨損性能的檢測尤為重要[6，7]。

微弧氧化涂層的耐摩擦磨損性能的檢測一般會使用摩擦磨損試驗機。摩擦試驗機的工作原理為：試樣的待磨層與摩擦紙，在荷重摩擦體的作用下，以規定的速度相互摩擦。通過測量涂層厚度的減少量，來判斷涂層的耐磨性。摩擦試驗機采用微電腦控制、LCD動態顯示、機電一體化原理，進行設定的摩擦試驗。試驗前將試驗標準要求的、或操作者自定的摩擦次數輸入控制系統，試驗則可實現自動控制，并在每次試驗結束后蜂鳴提示。控制系統具有斷電記憶功能，即每次重新上電后，保持上次斷電前輸入的參數狀態。執行機構采用高精度齒輪減速微型電動機驅動摩擦體進行直線往復摩擦運動。

2.6 涂層的耐腐蝕性能檢測

2.6.1 電化學檢測

微弧氧化表面處理技術可以有效的提高輕金屬合金的耐腐蝕性能。通常情況下可以通過測量電化學極化曲線和電化學阻抗譜來表征與分析微弧氧化涂層的耐腐蝕性能[8]。電化學測試通過電化學工作站來完成，測試中使用標準的三電極體系，樣品為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極為輔助電極。電化學測試腐蝕液選用3.5wt%NaCl溶液，在EIS測試前先將試樣在室溫下浸泡半小時，設定好擾動振幅及測試頻率范圍。測完EIS后再將試樣浸泡半小時，然后進行動電位極化曲線的測試，掃描范圍為開路電位的正負0.5V，掃描速度為1-10mV/s。每個試樣的電化學測試至少進行三次以保證結果的重復性[9]。測試完成后通過分析極化曲線和阻抗譜來判定制備的微弧氧化涂層的耐腐蝕性能。

2.6.2 鹽霧試驗

鹽霧試驗是檢驗微弧氧化涂層耐腐蝕性能的最常使用的方法之一，而鹽霧試驗主要是在鹽霧試驗箱中進行。鹽霧試驗箱主要由溫度控制系統、噴霧裝置和鹽液收集裝置等組成;工作方式為通過加壓裝置產生高壓氣體，將高壓氣體通入試驗箱中進行加熱。在試驗時，熱空氣通過噴嘴氣孔噴出，同時，噴水口也會噴出鹽水溶液，兩者垂直相交，鹽水溶液在高溫氣體的作用下，短時間內氣化成鹽水蒸汽，噴射到空中形成鹽水霧氣后降落在試件的表面上，由計時系統記錄試驗時間，從而對試件進行鹽霧試驗。

在實際鹽霧試驗中，不同的產品根據其使用的場合會有不同的鹽霧試驗時間和方式要求。目前常見的鹽霧試驗時間主要有96h和144h。試驗方式主要有兩種，一是從開始到結束，樣品一直放在鹽霧箱中;另一種就是采用“鹽霧24h+取出室溫放置24h”兩種方式，其中后者條件更苛刻，可以更好的評價微弧氧化涂層的耐腐蝕性能[10，11]。鹽霧試驗完成后，根據試驗結果，對腐蝕現象進行劃分等級，從而判定涂層是否滿足耐腐蝕要求。

3 總結

總而言之，以上檢測方法對于輕質合金微弧氧化涂層的表征與分析具有重要的意義。因此，在實際應用中，需要對以上檢測方法進行靈活運用以滿足不同場合的應用需求，優化微弧氧化涂層的結構和性能，使得微弧氧化技術能得到最大化的推廣運用，從而加快工業生產輕量化進程。

參考文獻

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