超硬鋁合金7075微弧氧化陶瓷層的微結構及性能研究.pdf

1、鋁及其合金具有質(zhì)輕、比強度高、韌性好及易加工等優(yōu)點，但其硬度低及耐磨性差等缺點又限制了它的應用。在鋁及其合金表面施以陶瓷化技術可以賦予其表面擁有特殊的優(yōu)良性能。微弧氧化技術是近年來興起的在鋁、鎂、鈦及其合金表面進行處理的新工藝。通過微弧放電在鋁及其合金表面原位生長出一層陶瓷質(zhì)膜層，該膜層具有硬度高、耐磨性好、與基體結合力好等優(yōu)點，在機械、電子、紡織、航空航天等領域具有廣泛的應用。
　　影響鋁合金微弧氧化陶瓷層性能的因素主要有:電解

2、液參數(shù)、電參數(shù)以及基體材料中的合金元素等。本文采用正交實驗法，優(yōu)化出了7075鋁合金在鋁酸鈉、硅酸鈉、硼酸鈉和磷酸鈉四個電解液體系下進行微弧氧化的最優(yōu)配方;在最優(yōu)配方的基礎上，采用單因素分析法，以陶瓷層厚度、顯微硬度及微觀形貌作為實驗指標，對電流密度、占空比、頻率及氧化時間等電參數(shù)依次進行了優(yōu)化;并對在不同氧化時間條件下制備出的陶瓷層的耐蝕性、耐磨性及力學性能進行了表征，對基體材料中合金元素在微弧氧化過程中的影響也進行了相應的探究。實驗

3、過程中得出的結論如下:
　　采用正交實驗法，優(yōu)化出了7075鋁合金分別在鋁酸鈉、硅酸鈉、硼酸鈉、磷酸鈉電解液體系下進行微弧氧化的最優(yōu)配方為:
　　鋁酸鈉體系:鋁酸鈉9g/L，氫氧化鈉1g/L，三乙醇胺6ml/L
　　硅酸鈉體系:硅酸鈉8g/L，氫氧化鈉1g/L，三乙醇胺6ml/L
　　硼酸鈉體系:硼酸鈉15g/L，氫氧化鈉1g/L，三乙醇胺6ml/L
　　磷酸鈉體系:磷酸鈉12g/L，氫氧化鈉1g/L，三乙

4、醇胺6ml/L
　　對四體系下制得的陶瓷膜層進行厚度、硬度、表面及截面形貌表征，綜合考慮，在鋁酸鈉體系下制得的陶瓷膜層質(zhì)量最好。故選用優(yōu)化出的鋁酸鈉體系，采用單因素分析法，詳細研究了陽極電流密度及陰/陽電流密度比、正/負占空比、頻率及氧化時間對膜層特性的影響，確定出最佳工藝參數(shù)為:陽極電流密度j a=10A/dm2，陰/陽極電流密度比jc/ja=0.7，正占空比φ(+)=15％，負占空比φ(-)=10％，頻率f=300Hz，氧化時

5、間t=5min。
　　通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)對最優(yōu)工藝參數(shù)下制備出的陶瓷層微觀形貌及相結構進行表征。結果表明，微弧氧化膜層表面呈“火山口”狀凸起，孔徑1～3μm;膜層與基體之間呈微區(qū)范圍內(nèi)的鋸齒狀冶金結合，厚度可達31.1μm，連續(xù)致密，顯微硬度高達1080;膜層主要由γ-Al2O3組成，而α-Al2O3含量較低。
　　對在不同氧化時間下制取的陶瓷層的性能進行表征，結果表明，陶瓷層的耐蝕性和耐磨

6、性較基體均有較大幅度的提高，在優(yōu)化出的工藝參數(shù)下制備出的陶瓷層經(jīng)歷240h鹽霧實驗后未出現(xiàn)腐蝕，其腐蝕電位(-0.589V)較基體(-0.772V)有183mV的提高，且其腐蝕電流密度（1.281×10-9 A/cm2）也較基體（8.053×10-5 A/cm2）降低了4個數(shù)量級。同時，陶瓷層的耐磨性提高了3個數(shù)量級，而力學性能損失幅度并不大。
　　為探究Cu、 Mn、Mg、 Si、Zn等主要合金元素對微弧氧化陶瓷層的厚度、顯微硬

7、度、微觀形貌、相結構及組成的影響，本文熔煉成一系列不同Cu、 Mn、Mg、 Si、Zn含量的鋁合金在相同工藝參數(shù)下對其進行微弧氧化處理，研究結果表明:不同基體材料所制備出的陶瓷層表面呈凹凸不平，有大量孔洞及片狀堆積，均由γ-Al2O3及少量α-Al2O3組成。Cu元素及Si元素可促進α-Al2O3的形成，但當其含量過高時體現(xiàn)為抑制作用;Mg元素在ω(Mg)＜0.8％時，促進等離子體電解氧化的進行，當0.8％＜ω(Mg)＜2.5％時又體現(xiàn)