鋁合金表面改性技術(shù)的研究

劉小斐

摘 要：較系統(tǒng)地評(píng)述國(guó)內(nèi)外鋁合金表面改性技術(shù)的研究與應(yīng)用情況，介紹了最近發(fā)展的陽(yáng)極氧化技術(shù)和等離子體微弧氧化技術(shù)，重點(diǎn)研究了激光熔覆技術(shù)特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀等，并對(duì)激光熔覆技術(shù)提出了展望。

關(guān)鍵詞：鋁合金；表面改性技術(shù)；激光熔覆

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

1 前言

鋁合金具有質(zhì)量輕，比強(qiáng)度和比剛度高，耐腐蝕性好，熱傳導(dǎo)和加工成型性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、汽車、船舶交通運(yùn)輸及化工、食品等許多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。但鋁合金的硬度低、耐磨性差，電極電位較低，容易作為陽(yáng)極產(chǎn)生嚴(yán)重的電偶腐蝕，這些缺點(diǎn)嚴(yán)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(kuò)大其應(yīng)用范圍并延長(zhǎng)使用壽命，表面改性技術(shù)成了研究的熱點(diǎn)。目前，在研究改變鋁合金表面性能的技術(shù)中，研究較多的有陽(yáng)極氧化、等離子噴涂耐磨、等離子微弧氧化、耐腐蝕涂層技術(shù)、鋁合金基體鑲鑄耐磨材料等技術(shù)，而對(duì)鋁合金激光表面改性技術(shù)，尤其是激光熔覆技術(shù)研究的并不是很多。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外在鋁合金表面改性技術(shù)方面的發(fā)展情況進(jìn)行了綜述，并討論了激光熔覆表面改性技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展前景。

2 常用的方法有

2.1 陽(yáng)極氧化法

鋁合金表面改性技術(shù)中陽(yáng)極氧化是應(yīng)用最廣與最成功的技術(shù)，現(xiàn)有的陽(yáng)極氧化工藝大都采用酸性電解液。陽(yáng)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(yáng)極，在外加電壓的作用下使其表面進(jìn)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(guò)程中，同時(shí)伴隨著氧化膜溶解的過(guò)程。當(dāng)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(jié)構(gòu)的多孔層組成的雙層結(jié)構(gòu)，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(yáng)極氧化技術(shù)常見(jiàn)的缺陷有：黑斑點(diǎn)、色澤條紋（帶）狀、表面不均勻。這些缺陷的產(chǎn)生與材質(zhì)、預(yù)處理、陽(yáng)極氧化、后處理以及封孔、著色過(guò)程的工藝參數(shù)和操作有著密切關(guān)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(yáng)極火花沉積（ASD）或火花放電陽(yáng)極氧化（ANOF），這是一種直接在有色金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷層的新技術(shù)。它是近十幾年在陽(yáng)極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但兩者在機(jī)理、工藝及膜層性質(zhì)上有許多區(qū)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(zhì)水溶液中，利用電化學(xué)方法在材料表面微孔中產(chǎn)生火花放電斑點(diǎn)，在熱化學(xué)、等離子體化學(xué)和電化學(xué)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(jié)合力強(qiáng)，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(jù)工藝參數(shù)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(jià)的金屬材料取代價(jià)格昂貴的金屬材料，不僅降低了成本，同時(shí)可以獲得一些其它表面強(qiáng)化技術(shù)所無(wú)法得到的特殊性能，拓寬了原金屬的使用范圍。這種技術(shù)也已成為國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)材料表面改性技術(shù)的追蹤熱點(diǎn)。但是，微弧氧化技術(shù)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(duì)可導(dǎo)電的金屬或合金可以應(yīng)用，而對(duì)于非導(dǎo)電材料卻實(shí)現(xiàn)不了。

2.3 激光熔覆

激光熔覆又稱激光熔敷，是近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種只改變表面薄層的性質(zhì)而不影響構(gòu)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(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)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(jié)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(yù)置式激光熔覆和同步式激光熔覆。預(yù)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(shí)送粉，使供料和熔覆同時(shí)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(shù)工藝比較復(fù)雜既有物理的過(guò)程，又有化學(xué)冶金的過(guò)程，而且參數(shù)也較多。主要參數(shù)有激光功率、光斑直徑、送粉速度、掃描速度、熔池溫度等， 對(duì)熔覆件的質(zhì)量影響很大，所以根據(jù)覆層的厚度、種類的不同需要，正確選擇參數(shù)非常重要。同時(shí)，各參數(shù)之間也相互影響，必須選擇適當(dāng)?shù)姆椒刂聘鞣N影響因素。當(dāng)前激光熔覆應(yīng)用在對(duì)材料的表面改性、快速原型制造和對(duì)關(guān)鍵零部件表面進(jìn)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(shù)上取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。

從20世紀(jì)80年代后期，國(guó)外的研究者們?cè)诩す馊鄹布夹g(shù)方面的研究越來(lái)越多，在激光熔覆的工藝?yán)碚?、熔覆層的組織性能及激光熔覆的自動(dòng)化設(shè)備等方面都取得了很大的進(jìn)展。在國(guó)內(nèi)最早人們利用激光熔覆技術(shù)在活塞上熔覆復(fù)合涂層來(lái)提高活塞的硬度和耐磨性。隨后這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用逐漸被推廣，在選擇涂層的材料的同時(shí)，人們開(kāi)始注意到了稀土元素的特點(diǎn)，結(jié)合輕合金本身的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了輕合金的缺點(diǎn)，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(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注，利用激光熔覆技術(shù)可有效地提高鋁合金表面的硬度和耐磨性。通過(guò)激光熔覆制備非晶涂層的研究也成為國(guó)內(nèi)近年來(lái)學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

3 總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金應(yīng)用到了各行各業(yè)中，特別是在航空、航天、汽車交通運(yùn)輸、建筑、化工、生物醫(yī)用等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)鋁合金表面改性技術(shù)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(huán)境中使用，需要激光熔覆技術(shù)的進(jìn)一步推廣。今后除了在激光熔覆的基礎(chǔ)理論研究外，還將在熔覆材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、激光熔覆設(shè)備的改進(jìn)與研制、激光熔覆的快速成型技術(shù)、熔覆過(guò)程控制的自動(dòng)化等幾個(gè)方面繼續(xù)發(fā)展，具有廣闊的前景。

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項(xiàng)目名稱：鋁及鋁合金制件表面稀土涂層制備，項(xiàng)目編號(hào)：EJY1404