[发明专利]一种在铝合金表面生成超耐磨涂层的两步微弧氧化法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种在铝合金表面生成超耐磨涂层的两步微弧氧化法。

背景技术

铝是地壳中储量最多的一种金属元素，也是与人们密切相关的一类金属元素，远至航天飞机，导弹，近至汽车，手机壳等都使用各种型号的变形铝合金。铝及其铝合金具有比强度高，导热和导电性好、反光性强，色泽美观、无磁性、耐腐蚀性好以及塑性和成形性好、无低温脆性等优点，是一种具有优良综合性能的有色金属材料。

铝及其铝合金以其优良的特性，被广泛应用于国名经济的各个部门，在产量和用途方面已成为仅次于钢铁的第二大金属材料。为了适应不同的用途，生产出了不同系列的变形铝合金，有铝硅合金、铝镁合金、铝锂合金、铝铜合金、铝锌合金等等。但铝合金作为结构材料，存在质地软，在特殊坏境下耐蚀性差等缺点，这严重影响了其用途。

微弧氧化技术又称等离子电解氧化（Plasma electrolytic oxidation），是从传统阳极氧化基础上发展起来的一种的新型表面改性技术，可以在铝合金、镁合金、锆合金以及钛合金等金属的表面生成具有耐磨、耐蚀等功能性氧化层。该技术源于100 多年前电解过程的火花放电现象的发现，但其实际应用直到上世纪60 到70 年代才由前苏联学者开发利用，其后德国、美国、中国等国的科学家也进行了早期研究。微弧氧化技术在金属表面原位生长氧化膜，因此膜层的附着力好，在提高基底金属的耐磨与耐腐性方面效果非常显著。虽然人们对微弧氧化（尤其是铝合金的微弧氧化）已经有了大量的研究，然而，由于微弧氧化的机理极其复杂，其反应界面是一个以金属、氧化膜、电解液及等离子体组成的多相体系，反应过程涉及电化学反应、化学反应、等离子体反应以及热化学反应等，目前人们对微弧氧化的机理了解仍然有限。

微弧氧化膜层的性能和其成分和相结构有关，而膜层的成分和相结构又和微弧氧化所用的电解液成分有很大的关系。根据目前大量文献报道，铝合金的微弧氧化膜主要成分是γ-Al₂O₃，α-Al₂O₃和非晶态氧化铝，其中α-Al₂O₃通常只占很少的部分。对于氧化铝的这三种相，γ-Al₂O₃的理论硬度是17 GPa，α-Al₂O₃ 是26 GPa，而非晶态氧化铝的理论硬度是7 GPa。因此，如能提高微弧氧化膜中的刚玉（α-Al₂O₃）成分，将大大提高微弧氧化膜的性能。

迄今为止，有关铝合金微弧氧化处理的电解液为硅酸盐居多，此外所用的电解液浓度多为低浓度的碱性溶液。根据我们最近的研究（Y. Cheng, Z. Xue, Q. Wang, X. Wu, E. Matykina, P. Skeldon, G.E. Thompson, New findings on properties of plasma electrolytic oxidation coatings from study of an Al-Cu-Li alloy, Electrochim. Acta. 107 (2013) 358.），在低浓度硅酸盐溶液中的Al-Cu-Li合金的微弧氧化膜主要成分为γ-Al₂O₃， 其耐磨性远远高于在高浓度的硅酸盐中得到的微弧氧化膜。究其原因，主要是因为高浓度硅酸盐中得到的膜层中含有大量莫来石（3Al₂O₃·2SiO₂）成分，而莫来石硬度低于γ-Al₂O₃，因此导致高浓度硅酸盐中得到的微弧氧化膜耐磨性降低。虽然在低浓度硅酸盐中的膜层耐磨性较好，但是其膜层是一种双层结构，内外两层之间存在尺寸较大的孔洞，这一点影响了膜层的耐磨性。