微弧氧化基本原理

微弧氧化基本原理

李斌,徐鹏,赵峰,庞国庆

西安天力金属复合材料股份有限公司 陕西省 西安市 710200

摘要：微弧氧化是在传统的阳极氧化基础上，通过在阳极金属表面施加更大的电压或电流以生长出更为致密的陶瓷层的一种新型表面处理方法。采用此方法获得的金属陶瓷层具有优异的抗高温性能和耐蚀性。在航空航天及汽车发动机领域有广泛的应用。通过采取合适的微弧氧化工艺，可以在铝、镁、钛等金属表面制备组织致密且性能优异的陶瓷层。微弧氧化目前普遍采用的方法有恒压法和恒流法。微弧氧化反应过程中有三个阶段，初始阶段金属表面有气泡产生，反应中期金属表面火花放电现象剧烈，反应后期金属表面放电现象逐渐平缓。

关键词：微弧氧化；表面处理；恒压法；恒流法；陶瓷层

引言

微弧氧化是一种在电解液的作用下，向金属表面施加高电压或高电流，使金属表面被瞬间击穿，并在金属表面形成与金属基体对应的氧化层的一种高新技术。通过该方法获得的陶瓷层具有非常致密的结构，并且还会赋予材料较高的硬度、耐蚀性、耐磨性及热防护性能。随着目前新型轻量化材料的快速发展，为获得表面质量优异的热端防护部件，在众多的表面处理技术中，微弧氧化技术操作简单，且工艺可控，不会污染环境，因此具有非常广阔的应用前景

1.微弧氧化的基本原理

微弧氧化技术是在阳极氧化的基础上，通过改变电源参数，继续向金属表面施加电流电压，使得金属表面陶瓷层继续长大的一种新型技术。该技术将不锈钢片作为阴极，将待表面处理的金属材料置于阳极，在电解液的作用下，在金属基体表面原位生长出结合性能优异的陶瓷层。微弧氧化设备示意图如下：

该设备主要含有以下关键部位：（1）微弧氧化电源：微弧氧化电源根据工作模式的不同，可以分为恒压法和恒流法，恒压法指在外加电压不变的前提下，通过向阴阳极持续不间断地施加电压，最终在金属表面制备陶瓷层的一种方法，该方法由于限制了工作时的电压，因此在放电初期金属表面的电压很大，金属表面非常容易被击穿，在大电流的作用下能够迅速在金属表面产生陶瓷层，且随着放电时间的增加，金属表面的电流会逐渐降低最终趋于稳定，因此金属表面的陶瓷层在初期会迅速生长，随着反应时间的增加，陶瓷层生长速度逐渐降低。刘荣明等人采用恒压法工艺，在负向电压160V条件下，通过改变正向电压来研究金属放电电压与陶瓷层组织和性能的关系，发现当正向电压在440~460V范围内，陶瓷层氧化铝的含量达到峰值，且适当增加负向电压能够提升疏松层和致密层氧化铝的含量[1]；恒流法是指在放电过程中，通过调整金属两端的放电电压从而使金属表面的电流设为固定值，随着反应时间的增加来使得金属表面生产陶瓷层的方法。此方法由于前期金属表面的放电电压较小，不足以使得金属表面发生击穿，因此恒流法在反应初期效果不是很明显，在某一临界电压下，金属表面会有明亮的火花出现，此时的电压成为击穿电压，从此阶段开始，随着反应时间的增加，金属表面的放电电压会逐渐增加，金属表面的火花密度也会逐渐增加，到达反应末期，金属表面的放电电压趋于稳定。李斌等人通过使用硅酸盐体系电解液，并采用恒流法工艺，在Al-Si合金表面成功制备了多孔陶瓷层，发现随着反应时间的增加，金属表面的电流密度会呈现先增加后降低最终趋于平缓的趋势，且金属表面最终的放电电压稳定在500V[2]。（2）电解液：电解液起到的作用是冷凝作用，由于微弧氧化过程中金属表面的温度能够达到50℃以上，在冷却系统条件下的电解液能够在反应过程中降低金属表面的温度，使得反应正向进行；其次在反应过程中，由于金属表面的电阻较低的位置会优先被击穿，因此在此阶段电解液会进入金属表面并形成放电微孔，电解液在放电微孔周围迅速冷却，最终形成金属对应的氧化陶瓷层。在传统的微弧氧化制备工艺中，为了获得质量可控的陶瓷层，根据阳极金属种类的不同，通常使用的是单一体系的电解液，通过此方法制备的陶瓷层通常只能满足条件单一的使用条件，通过调配电解液的配方，可是使得制备出的陶瓷层具有多种有优异可控的性能。宇文倩倩等人通过使用硅酸盐体系电解液，在铝合金表面成功制备出了氧化铝陶瓷层，该陶瓷层具有良好的硬度以及抗高温性能[3]；薛文斌等人通过使用NaOH电解液，在LY12上成功制备了Al2O3陶瓷层，而且制得的陶瓷层分疏松层和致密层[4]。（3）反应频率：微弧氧化的反应频率主要取决于电源设置采用的参数，即单次放电持续的时间，通过查询文献，发现当反应频率较低且占空比较大时，能够获得较为均匀的陶瓷层。于有相等人通过改变反应过程中的脉冲频率，在7075铝合金表面制备了氧化铝陶瓷层，发现当频率在250Hz时，陶瓷层具有最为致密的结构[5]；马胜歌等人通过在微弧氧化过程中改变脉冲频率，在6061铝合金表面制备了氧化铝陶瓷层，作者发现，随着脉冲频率的增加，金属表面的防电火花密度逐渐增加，且放电微孔直径减小、数目增加，所制得的陶瓷层具有较为致密的结构

[6]。

2 微弧氧化过程

微弧氧化是在阳极氧化的基础上通过向金属表面施加更大的电压或电流使得金属表面的陶瓷层继续生长的一种新型技术。以恒流法为例，该技术主要分为三个阶段：反应开始阶段：金属两端的放电电压不足以击穿金属表面，在此过程中金属表面会逐渐是去金属光泽，并在金属表面会形成较多气泡。此阶段也被称为阳极氧化阶段；当金属两端的放电电压达到能够击穿金属表面电阻率较低的相时，可以观察到在金属表面会逐渐产生细小的放电火花，随着反应时间的增加，放电微孔的数量会逐渐增加。此阶段为第二阶段，也是陶瓷层生长速率最快的阶段。当反应时间继续增加，金属表面的陶瓷层已经较为致密时，此时金属两端的电压将会趋于定值，在此阶段金属表面的陶瓷层厚度将基本不变，金属表面的火花放电现象也较为平缓。

3  结论

1. 微弧氧化工艺能够向铝镁钛等有色金属表面制备致密的陶瓷层，且通过改变反应过程中的电流、电压及脉冲频率等参数，可以制备不同厚度和性能的陶瓷层。
2. 微弧氧化过程分为三个阶段，即反应初期的阳极氧化阶段，反应中期的剧烈反应阶段以及反映后期的平缓阶段。每个阶段的反应原理各不相同。

结束语

微弧氧化技术由于具有良好的工作环境、且操作工艺简单可控，不污染环境，因此成为了有色金属表面处理的一个强有力的方法。此技术在反应过程中主要有三个阶段，且各个阶段的反应原理均有较大差异。通过调节反应过程中的工艺参数，可以制备出预期的陶瓷层，并具有良好的性能。在金属热端部件的表面处理领域有着广泛的应用。

参考文献：

[1]刘荣明, 郭锋, 李鹏飞. 电压对铝合金微弧氧化陶瓷层形成的影响[J]. 材料热处理学报, 2008, 29(1):4.

[2]李斌. 铝合金激光冲击--等离子电解氧化复合改性层的组织和性能[D]. 陕西:西安工业大学,2020.

[3]宇文倩倩. 铝合金表面改性-等离子体电解沉积复合层的组织和性能研究[D].西安工业大学,2019.

[4]薛文彬. 铝合金微弧氧化陶瓷膜的形成过程及其特性[J]. 电镀与精饰, 1996, 000(005):3-6

[5]于有相, 吴景玉, 方健亮,等. 脉冲频率对铝基复合材料微弧氧化膜性能的影响[J]. 电镀与环保, 2020, 40(3):2.

[6]马胜歌, 徐辉, 戴新江. 脉冲频率对铝合金双极脉冲模式微弧氧化性能的影响[C]第七届全国表面工程学术会议暨第二届表面工程青年学术论坛.