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微弧氧化是一种简易高效的材料表面处理技术,目前已成为材料表面工程的“新星”。该技术技术具有绿色环保、工艺简单、经济高效、对基材形状适应性广的特点。其膜层致密均匀,膜基结合能力强,因此得到材料界的高度重视。目前铝合金微弧氧化膜的研究主要集中在工艺参数(电解液配方、电参数等)与陶瓷膜结构、成分及性能的相互关系和规律的探讨。 微弧氧化虽然具有明显的技术优势,但是高能耗问题仍然限制其大规模产业化发展。目前俄、美等国家的微弧氧化技术工艺较为纯熟,已将微弧氧化技术用于部分工业化生产,但是工程化程度不够,国内的微弧氧化技术仍然在探索和研究中。因此根据市场需要,针对性能优良的2A12铝合金,开发出一套高效、环保且低能耗的微弧氧化工艺方案,通过分析工艺参数对陶瓷膜微观结构及宏观性能的影响来总结规律性问题,对微弧氧化技术应用发展具有重要的理论和实际意义。所得到的低能耗工艺研究成果,不仅可以丰富和发展铝合金微弧氧化试验研究,而且对大规模工业生产具有良好的指导作用。 为降低微弧氧化工艺的能量消耗并获得性能优异的陶瓷膜,本课题主要研究不同添加剂对2A12铝合金微弧氧化陶瓷膜特性及制备能耗的影响。重点研究 KF、Na2WO4、K2CO3对微弧氧化能量参数(起弧电压、稳定电压、平均制备能耗)和陶瓷膜性能(厚度、硬度、粗糙度)的影响规律。 本文还研究了较大面积试样的微弧氧化行为,分析其与小面积试样在工艺参数、制备能耗及膜层性能方面的差异。采用SEM观测陶瓷膜的表面和截面显微形貌,采用XRD和EDS分析陶瓷膜的组织结构和微区成分含量。主要研究内容和结论如下: (一)添加剂对陶瓷膜性能及能耗的影响 (1)三种添加剂中,KF和Na2WO4对陶瓷膜的厚度和平均制备能耗的影响较大,而K2CO3对其影响较小; (2)添加剂的浓度值处于适当范围内才有利于陶瓷膜的生长,在本工艺条件下, KF的最佳浓度值为10 g/L,Na2WO4的最佳浓度值为6 g/L,K2CO3对陶瓷膜生长有一定的优化作用,但效果不显著,10 g/L后出现烧蚀现象; (3)加入KF和Na2WO4后,陶瓷膜的生长速率、厚度和制备能耗的优化程度较没有添加剂时可以提高1~2倍; (4) Na2WO4主要影响陶瓷膜的起弧电压,K2CO3主要影响稳定电压,而KF对两个参数的影响都较显著; (5)通过正交试验发现,KF、Na2WO4、K2CO3和(NaPO3)6对微弧氧化制备能耗的影响程度由强到弱依次为:(NaPO3)6、Na2WO4、KF、K2CO3;各添加剂叠加使用后,获得的陶瓷膜硬度、结合强度和致密性都显著提高,正交试验的优方案为(NaPO3)6(15g/L)、Na2WO4(3g/L)、KF(12g/L)、K2CO3(4g/L); (6)正交优方案的陶瓷膜厚度为71μm,平均制备能耗为8.13 kw·h/(m2·μm),硬度为1283 HV。 (二)工艺参数对较大面积试样的影响 (1)不同尺寸试样若获得相同质量的陶瓷膜,采用的工艺参数值相差较大,但对微弧氧化陶瓷膜的生长及性能影响规律基本一致; (2)不同尺寸试样的微弧氧化膜层优劣主要取决于电解液浓度、电流密度、溶液温度、氧化时间和pH值; (3)普通铝合金3A21和航空铝合金7075的材料成分不同,获得陶瓷膜的性能也有所差异,在粗糙度、硬度、耐蚀性和抗温度冲击等方面,航空铝合金7075表现较为优良,但二者陶瓷膜的显微形貌基本一致。