電解液溫度對輕合金微弧氧化的影響研究＊

王一鳴，張洪亮，李霖，賀同偉

電解液溫度對輕合金微弧氧化的影響研究＊

王一鳴，張洪亮，李霖，賀同偉

（沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110136）

利用微弧氧化技術可以在金屬材料表面制備出具有高硬度、耐磨和耐腐蝕等優異性能的氧化物涂層。影響金屬微弧氧化過程和氧化層結構及性能的因素有很多。近期國內外的研究結果表明，鋁、鎂、鈦等輕合金表面微弧氧化層的結構與性能受電解液溫度的影響顯著，應嚴格控制電解液的溫度。

微弧氧化；電解液；輕合金；氧化層

微弧氧化（Microarc Oxidation，MAO）又稱等離子體電解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation，PEO）[1]和陽極火花沉積（Anodic Spark Deposition，ASD）[2]，是在普通陽極氧化的基礎上將工作區由法拉第區引入到高壓放電區在金屬表面產生等離子體反應而原位生成陶瓷層的技術[3]。利用該技術可以在鋁、鎂、鈦等輕合金表面制備出與基體結合強度較高，并具備優異的耐磨、耐腐蝕、耐熱性能的氧化物涂層[4-6]。影響金屬微弧氧化過程和氧化層結構及性能的因素有很多，包括材料的成分及狀態、電源輸出方式、電參數、電解液的組成及溫度等。研究表明，電解液溫度對電導率影響較大，電解液每升高10 ℃，其電導率約增加12%[7]，因此電解液溫度是決定微弧氧化層結構和性能的一個重要因素。本論文梳理了近期國內外有關電解液溫度對鋁、鎂、鈦等輕金屬微弧氧化影響的研究進展。

1 鋁及鋁合金

張欣宇等[8]研究了電解液溫度對純鋁在NaOH和NaH2PO4兩種體系電解液中微弧氧化成膜速率的影響。實驗結果表明，在NaOH體系溶液中，成膜速率隨電解液溫度（20～55 ℃）的升高先增大后降低，在40 ℃左右時成膜速率最大；而在NaH2PO4體系溶液中，成膜速率隨電解液溫度的升高（5～75 ℃）呈線性降低的規律。

劉遠彬[9]的研究結果顯示，LY12鋁合金在硅酸鹽體系電解液中微弧氧化時，當電解液溫度從15 ℃升至40 ℃過 程中，所制備的陶瓷層的厚度逐漸增大、耐蝕性不斷提高。但高于40 ℃時，膜層厚度降低，粗糙度變大，隨之耐蝕性下降。

仝帥等[10]研究了次磷酸鈉體系電解液在5～85 ℃溫度范圍內變化時LF4鋁合金的微弧氧化行為。結果表明，當電解液溫度在45 ℃以下時，合金表面微弧氧化層具有較好的外觀質量，膜層耐蝕性隨電解液溫度的升高而增強。當電解液溫度高于45 ℃時，膜層變得粗糙，膜層耐蝕性隨電解液溫度的升高不斷下降。

2 鎂合金

朱枝勝等[11]采用Na2SiO3-Na3PO4體系電解液在AZ31B鎂合金表面制備了黑色微弧氧化層，并研究了電解液初始溫度（5 ℃、15 ℃、25 ℃、35℃）對氧化層結構和性能的影響。得出以下結論：隨電解液溫度的升高，氧化層厚度減小，膜層黑度和色差均增大。膜層中孔洞尺寸先變小后增大，在 25 ℃時孔洞尺寸最小，此時膜層最致密。膜層的腐蝕電流密度在 25 ℃時達到最低值，氧化層的耐蝕性能最好。

翟彥博等[12]通過控制通入電解槽的冷卻氣流來調節Na2SiO3-Na3PO4體系電解液的溫度，對比研究了3種溫度（20 ℃、40 ℃、60 ℃）下AZ31B 鎂合金的微弧氧化過程，結果顯示，在保持其他電參數不變的條件下，較高的電解液溫度可以提高氧化層的生長速度；對相同厚度的氧化層，制備時電解液溫度越高，獲得的膜層越疏松，顯微硬度越低，耐蝕性越差。

馬躍洲[13]等采用Na2SiO3體系電解液，在AZ91D鎂合金表面制備了微弧氧化層，并研究了電解液起始溫度對合金微弧氧化起弧電壓、膜層厚度及表面形貌的影響。實驗結果表明，隨著電解液起始溫度的升高，起弧電壓先降低后升高，膜層厚度先增大后減小，膜層表面孔洞數量減少、尺寸增大。

3 鈦合金

汪景奇[14]研究了Na2SiO3體系電解液的初始溫度（10～40 ℃）對TC4鈦合金微弧氧化的影響。結果顯示，隨電解液溫度的升高，起弧電壓先降低后升高，在30 ℃左右最低；氧化層厚度和表面粗糙度均增大，表面微孔數量減少，孔徑增大，膜層耐蝕性降低。

吳云峰等[15]將TC4合金在NaH2PO4-Ca（CH3OO）2體系電解液內進行微弧氧化處理，研究了在不同電解液溫度（10～50 ℃）下所制備的微弧氧化膜。結果表明，隨電解液溫度的升高，起弧電壓降低，膜層厚度和粗糙度均先增大后減小。在10 ℃的電解液中制備的陶瓷膜表面孔洞數量較多，孔徑較小，形狀規則且分布比較均勻，但此時膜層裂紋較多。隨電解液溫度的升高到20～30 ℃時，膜層表面孔徑增大，孔數量減少。當電解液溫度繼續升高至40 ℃時，膜層表面孔徑繼續變小，數量增多；孔與孔之間搭接現象明顯，膜層表面平整度有所改善，膜層裂紋減少。

HABAZAKI等[16]采用K2Al2O4-Na3PO4體系電解液在Ti15V3Al3Cr3Sn表面制備出微弧氧化層，并研究了電解液溫度（5 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃）對合金微弧氧化行為的影響。結果顯示，隨電解液溫度的升高，氧化過程中樣品表面弧光放電的密度降低，5 ℃時弧光放電的密度最大，在30 ℃和40 ℃時，放電只集中在少數位置發生。在不同電解液溫度下制備的微弧氧化層的主要組成相均為Al2TiO5，只在溫度為5 ℃時制備的氧化層中檢測出α-Al2O3相，且該氧化層最均勻致密，耐磨性能也最好。

4 總結

電解液溫度不僅對鋁、鎂、鈦等輕合金微弧氧化的過程影響顯著，同時還對所制備氧化層的厚度、粗糙度、相組成、致密性和耐蝕性等有很大的影響。大部分研究結果顯示，微弧氧化層的厚度、表面粗糙度和致密度隨電解液溫度的升高呈現出先增大后減小的規律，其力學和耐蝕性能先增強后降低。電解液溫度過高，降低了氧化層的質量，還導致電能效率降低，因此應將電解液溫度控制在較低范圍內。同時，目前的研究多以電解液的初始溫度作為參考依據，而忽略了微弧氧化過程中電解液實際溫度的變化，在后續的研究中可以借助電解液的實時控溫裝置加以改進。

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2095－6835（2020）20－0144－02

TG174

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.062

王一鳴（1998—），男，遼寧錦州人，沈陽航空航天大學本科生，主要研究方向為金屬腐蝕及表面防護。

遼寧省自然科學基金項目（編號：20170540688）；沈陽航空航天大學大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201810143030）

〔編輯：王霞〕