AZ80鎂合金筒形件微弧氧化膜缺陷分析及改進(jìn)

吳瑜 ，陳剛 ，王紅杰，楊曉禹，劉凱

（1.中國兵器科學(xué)研究院寧波分院，浙江 寧波 315103；2.寧波表面工程研究院有限公司，浙江 寧波 315103）

微弧氧化(MAO)技術(shù)通過在鎂合金表面原位生長陶瓷氧化膜，彌補(bǔ)了鎂合金化學(xué)穩(wěn)定性差的弱點(diǎn)，并且能夠顯著提高其耐腐蝕性能。由于具有操作簡單、電解液環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，MAO技術(shù)已在鎂合金表面處理領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。某鎂合金筒形件在進(jìn)行微弧氧化處理后，所得膜層存在肉眼可見的灰黑色線條。微弧氧化膜表面缺陷的存在不僅影響產(chǎn)品外觀，還會(huì)降低產(chǎn)品的成品率，增加生產(chǎn)成本?；某煞謱?duì)MAO膜層的生長、結(jié)構(gòu)及性能具有較大的影響[3-4]。本文以鎂合金基材為切入點(diǎn)，分析了上述筒形件表面MAO膜層灰黑色線條的成因，并提出了相應(yīng)的措施，以供同行參考。

1 故障件特征

該筒形件由AZ80鎂合金經(jīng)400 °C熱擠壓制成管材，再機(jī)械加工成形所得。微弧氧化工藝流程為：超聲波脫脂(采用堿性脫脂劑，時(shí)間10 min)→微弧氧化(采用硅酸鹽體系，電流密度5 A/dm2，時(shí)間10 min)→去離子水洗多次→封孔(采用85 ~ 90 °C的熱水，時(shí)間30 min)。

如圖1所示，鎂合金筒形件的內(nèi)壁和外壁都存在大量灰黑色線條，且條紋呈現(xiàn)一定的方向性，基本沿軸向(即擠壓方向)分布。采用機(jī)械打磨法去除缺陷筒形件表面氧化膜后重新進(jìn)行微弧氧化，得到的微弧氧化膜仍然有灰黑色線條，并且分布位置與之前一樣，說明缺陷的出現(xiàn)具有重復(fù)性。

圖1 鎂合金筒形件內(nèi)壁和外壁的微弧氧化膜Figure 1 MAO films on interior and exterior walls of cylindrical magnesium alloy part

2 原因分析

2.1 AZ80鎂合金基材的物相分析

采用Rigaku D/max-2500/PC X射線衍射儀(XRD)分析AZ80鎂合金的相結(jié)構(gòu)。如圖2所示，鎂合金基材中只有α-Mg和β-Mg17Al12的特征衍射峰，未出現(xiàn)Zn、Ce、Mn等元素的特征衍射峰。這是因?yàn)镃e和Mn含量較低，而Zn主要以固溶的形式存在于α-Mg基體中[5]。

圖2 AZ80鎂合金的XRD譜圖Figure 2 XRD pattern of AZ80 magnesium alloy

2.2 AZ80鎂合金基材的微觀形貌和元素分析

采用FEI Quanta FEG 250掃描電子顯微鏡(SEM)觀察AZ80鎂合金基材的微觀形貌，結(jié)果見圖3?；闹胁粌H存在α-Mg基體相，還存在條狀第二相(位置I)以及大量沿?cái)D壓方向分布的灰白色顆粒狀物相(位置II)。采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)分析基材的元素組成(見表1)可知，條狀第二相為Al–Ce相[6]。顆粒狀物相為Al–Mn化合物，尺寸為3 ~ 6 μm。位置III處由α-Mg、β-Mg17Al12和Al–Mn相組成。位置IV主要含α-Mg和β-Mg17Al12相，并以帶狀或團(tuán)狀結(jié)構(gòu)沿?cái)D壓方向分布。

圖3 AZ80鎂合金的表面微觀形貌Figure 3 Micro-morphologies of AZ80 magnesium alloy surface

表1 AZ80鎂合金不同位置的元素組成Table 1 Elemental compositions at different positions of AZ80 magnesium alloy

2.3 AZ80鎂合金基材的金相組織分析

如圖4所示，在Leica MEF4M金相顯微鏡下可以觀察到AZ80鎂合金基體的晶粒大小不均勻，尺寸在20 ~ 60 μm范圍內(nèi)，晶界處存在嚴(yán)重的枝晶偏析。這是由于擠壓溫度高，鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程更完全，原子的擴(kuò)散能力和遷移能力強(qiáng)，大量合金元素在枝晶處富集，導(dǎo)致鎂合金內(nèi)部成分不均勻[7]。

圖4 AZ80鎂合金金的金相照片F(xiàn)igure 4 Metallographs of AZ80 magnesium alloy

綜合上述分析可知，微弧氧化膜表面灰黑色線條的分布方向和位置基本與β-Mg17Al12相一致，推測(cè)灰黑色線條與β-Mg17Al12相有關(guān)。β-Mg17Al12具有閾金屬性質(zhì)，其擊穿電壓高于α-Mg相[8]。在微弧氧化初期，不均勻分布的β-Mg17Al12物相引起鎂合金表面選擇性微弧氧化，α-Mg相區(qū)域生成微弧氧化膜，而β-Mg17Al12相仍未生成微弧氧化膜，最終膜層表面出現(xiàn)色差(即灰黑色線條)。

3 改進(jìn)方案

3.1 降低鎂合金基材的熱擠壓溫度

從圖5可知，將AZ80鎂合金的擠壓溫度從400 °C降至350 °C后，所得的鎂合金筒形件組織結(jié)構(gòu)均勻，未出現(xiàn)呈方向性分布的白色顆粒狀物相。結(jié)合能譜分析結(jié)果(見表2)可知，降低擠壓溫度后鎂合金主要由α-Mg、β-Mg17Al12(位置V)和Al–Mn(位置VI)組成。從圖6也可看出，降低擠壓溫度后鎂合金晶粒顯著細(xì)化，成分偏析現(xiàn)象顯著改善，β-Mg17Al12物相由沿晶界處的條狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀連續(xù)分布特征?？梢娊档蛿D壓溫度能夠有效細(xì)化基材晶粒，在一定程度上消除偏析現(xiàn)象，提高組織結(jié)構(gòu)的均勻性，進(jìn)而緩解微弧氧化過程中的選擇性放電現(xiàn)象，令氧化膜均勻、穩(wěn)定地生長[9-10]。

圖6 降低擠壓溫度后AZ80鎂合金的金相照片F(xiàn)igure 6 Metallographs of AZ80 magnesium alloy after extrusion at lowered temperature

表2 降低擠壓溫度后AZ80鎂合金不同位置的元素含量Table 2 Elemental compositions at different positions of AZ80 magnesium alloy after extrusion at lowered temperature

圖5 降低擠壓溫度后AZ80鎂合金的表面微觀形貌Figure 5 Micro-morphologies of AZ80 magnesium alloy surface after extrusion at lowered temperature

3.2 延長微弧氧化時(shí)間

在恒流微弧氧化過程中，擊穿放電首先發(fā)生在α-Mg物相表面。隨著氧化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，氧化電壓逐漸升高，當(dāng)氧化電壓達(dá)到β-Mg17Al12的擊穿臨界電壓時(shí)，β-Mg17Al12開始發(fā)生火花放電并形成微弧氧化膜，表面灰黑色線條逐漸消失。但若微弧氧化時(shí)間不足，β-Mg17Al12選擇性放電現(xiàn)象嚴(yán)重，表面灰黑色線條仍然明顯。因此嘗試延長微弧氧化時(shí)間。從圖7可知，隨著微弧氧化時(shí)間延長，氧化膜表面的灰黑色線條逐漸減少，40 min時(shí)已無黑色線條，采用EPK MiniTest 4100無損渦流測(cè)厚儀測(cè)得此時(shí)微弧氧化膜的厚度為96.6 μm。

圖7 不同氧化時(shí)間下的鎂合金微弧氧化膜Figure 7 Magnesium alloy surface after micro-arc oxidation for different time

如圖8所示，采取上述2種措施后，AZ80鎂合金筒形件內(nèi)壁和外壁的微弧氧化膜都色澤均勻，未出現(xiàn)灰黑色線條。

圖8 改進(jìn)工藝后鎂合金筒形件內(nèi)壁和外壁的微弧氧化膜Figure 8 MAO films on interior and exterior walls of cylindrical magnesium alloy part after being treated by the improved process

4 結(jié)語

熱擠壓溫度過高會(huì)引起鎂合金中β-Mg17Al12物相沿?cái)D壓方向偏析，導(dǎo)致鎂合金表面在微弧氧化后出現(xiàn)灰黑色線條。降低鎂合金基材的熱擠壓溫度和延長微弧氧化時(shí)間可有效解決該問題。