鋁合金表面微弧氧化陶瓷膜制備工藝試驗設(shè)計.pdf

1、在很多特殊的工業(yè)領(lǐng)域，為滿足某些特殊的性能需求，必順用到鋁及其合金，但鋁及其合金的表面硬度低、耐腐蝕性與耐磨性差、抗熱震性差，制約了鋁合金的應(yīng)用。通過表面處理工藝進(jìn)行處理，可以提高鋁合金的綜合性能。微弧氧化工藝是在陽極氧化工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興表面處理技術(shù)，微弧氧化膜層具有硬度高，絕緣性與耐腐蝕性和耐磨性好，高抗熱震性，氧化膜與基體結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點，極大地提高了鋁合金的應(yīng)用范圍。
　　 微弧氧化(MAO)又稱微等離子體氧化(MP

2、O)或陽極火花沉積(ASD)，還有人稱之為等離子體增強(qiáng)電化學(xué)表面陶瓷化(PECC)。是通過控制調(diào)整電解液與相應(yīng)電參數(shù)的組合，在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠微等離子體放電產(chǎn)生的瞬時高溫高壓作用，經(jīng)過化學(xué)、電化學(xué)、熱化學(xué)、等離子化學(xué)等反應(yīng)的作用下，在基體表面原位生長出氧化物陶瓷膜工藝。微弧氧化膜的形成可分為以下四個階段：第一階段初始無定形膜的形成。與陽極氧化膜形成過程一致，電極體系遵循法拉第定律，電解槽的電壓電流符合歐姆定律，試樣表面形成一層

3、薄的透明的氧化物絕緣膜，在低壓作用下，能阻止表面電流的通過，又被稱為阻擋層。第二階段火花放電階段。隨電壓升高，阻擋層被擊穿，帶電粒子被高壓電場加速與其它原子碰撞形成“電子雪崩”形成火花現(xiàn)象，物質(zhì)通過擊穿通道進(jìn)入基體內(nèi)部，經(jīng)過各種復(fù)雜的反應(yīng)，形成新的無定形氧化膜，使氧化膜層增厚。第三階段氧化陶瓷膜的形成。隨著電壓的增大，微區(qū)等離子體放電產(chǎn)生高溫高壓，使形成的無定形氧化膜溶化，并在電解液環(huán)境下迅速冷卻凝聚，首先在試樣表面形成陶瓷顆粒，隨著不

4、斷的擊穿，表面陶瓷顆粒不斷形成長大至接觸，以搭橋的方式形成陶瓷膜層。由于擊穿總是發(fā)生在膜層薄弱部位，故形成的陶瓷膜層是均勻的。第四階段陶瓷膜的生長。隨著氧化時間的延長，氧化膜層通過不斷的溶解與形成，在微弧氧化過程中膜層的生長速度是大于溶解速度的，陶瓷膜是不斷生長增厚的，氧化膜的溶解在膜層表面形成更多的薄弱區(qū)域，使微弧氧化更容易發(fā)生，使膜層不斷生長增厚，直到達(dá)到生長與溶解平衡時，氧化膜停止生長，微弧氧化過程結(jié)束。
　　 本文是關(guān)于

5、鋁合金微弧氧化工藝的研究。試驗過程是個相當(dāng)巨大的工程，選擇一種合理的試驗方法可以起到事半功倍的效果，故本文研究把計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到微弧氧化試驗中，用正交試驗法進(jìn)行微弧氧化試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析。正交試驗法是利用規(guī)格化的正交表，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計出試驗方案和有效地分析試驗結(jié)果，提出最優(yōu)配方和工藝條件，并進(jìn)而設(shè)計出可能更優(yōu)秀的試驗方案的一種科學(xué)方法。正交性原理是設(shè)計正交表的科學(xué)依據(jù)，正交表具有“均衡搭配”與“整齊可比”的特點，從大量的全面試驗方案中，為挑

6、選出少量具有代表性的試驗點，所制成的排列整齊的規(guī)格化表格。
　　 本文主要研究以硅酸鈉為主成膜劑電解液的微弧氧化試驗，研究了正交試驗設(shè)計在微弧氧化試驗過程中的應(yīng)用，使用綜合平衡法和方差分析法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，微弧氧化過程中陶瓷氧化膜的生長規(guī)律，各因素對陶瓷氧化膜生長的影響，以及各因素對試驗指標(biāo)的影響程度大小，同時在方差分析中著重研究了硅酸鈉濃度與微弧氧化電壓的交互作用對氧化膜生長的影響。試驗采用掃描電鏡(SEM)對陶瓷氧化膜微

7、觀形貌進(jìn)行分析，利用631型顯微硬度計對氧化膜的硬度和厚度進(jìn)行測量，對陶瓷氧化膜的抗熱震性、抗腐蝕性進(jìn)行了測試。
　　 試驗表明電解質(zhì)濃度對微弧氧化過程各參數(shù)影響顯著。不同濃度的電解液，微弧氧化的起弧電壓不同，試樣表面的電流密度不同。隨濃度的增大，微弧氧化起弧電壓降低，試樣表面電流密度卻升高，且都趨向于一個極限值。
　　 試驗表明，各因素(電解質(zhì)濃度與微弧氧化電壓)對試驗指標(biāo)(硬度與厚度)的影響顯著。在硅酸鈉為主成膜劑的

8、電解液中，其中Na2SiO3的濃度對陶瓷膜硬度和厚度兩指標(biāo)的影響最大，微弧氧化電壓和H3BO3濃度影響次之，KOH濃度影響再次之，H2O2濃度的影響是最小的。經(jīng)五因素四水平正交試驗進(jìn)行微弧氧化工藝設(shè)計，并用綜合平衡法和方差分析法進(jìn)行評價，選定Na2SiO3濃度6g/L、H3BO3濃度1.5g/L、KOH濃度0.5g/L、H2O2濃度X4、微弧氧化電壓360V為最優(yōu)工藝方案。采用最優(yōu)工藝方案對LY12鋁合金進(jìn)行微弧氧化處理，獲得了致密層硬