铝合金氧化膜的作用，微弧氧化铝合金实验报告

铝是地壳中含量最丰富的金属元素，质量丰度为7.45%。铝的用量仅次于钢，是用量最大的有色金属材料[1-3]。铝及其合金具有比强度高、加工性能好、导热导电性能好、耐腐蚀性能优良等特点，在建筑材料、汽车制造、航空航天、国防工业、电子产品等领域得到广泛应用[4]。然而铝合金是脆硬材料，韧性低、硬度低、不耐磨，因此铝合金的表面处理成为研究热点。目前，常用的铝合金表面处理技术包括阳极氧化、电镀、化学镀、激光熔覆和微弧氧化[5-7]。

微弧氧化（MAO）是利用电解质和相应电参数的组合，利用电弧放电产生的瞬时高温和高压，氧化铝及其合金表面的基体金属氧化物基陶瓷。膜原位。层。近年来，微弧氧化着色技术引起了研究人员的关注。与传统的表面着色技术相比，微弧氧化层是原位生长形成的，与基体有良好的结合力，且微弧氧化形成的氧化层致密，具有良好的耐磨性和耐磨性。耐腐蚀性能。 8 11,13]。在本文中，我们通过添加着色剂NH4VO3来制备黑色微弧氧化膜，并通过改变工艺参数研究对微弧氧化膜的影响。

1 实验1.1 实验药物及实验设备样品材质为2024铝合金，其成分如表1所示。样品是一个尺寸为25 mm x 20 mm x 1.5 mm 的矩形块，在样品正上方钻一个孔以连接电线。在开始实验之前，必须对样品进行预处理。首先用400#至1500#水性砂纸进行机械打磨。完成后，用超声波清洗机清洗20分钟。取出后，用头发清洗。使用干燥机进行干燥，实验中的负极采用不锈钢材质。

实验在(NaPO3)6-Na2SiO3体系中进行，所有电解质溶液均使用分析纯试剂和去离子水配制。其组成如表2所示。

实验电源采用微弧氧化单向脉冲电源[12]，采用恒流模式，电流密度为10 A/dm2，频率分别为200、500、700和1000 Hz，占空比循环10 . %、15%、20%、25% 和30%，反应时间分别为4、6、8 和10 分钟。采用具有磁力搅拌功能的低温恒温器控制反应温度，约为30。实验装置示意图如图1 所示。

1.2 检测设备实验使用日立扫描电子显微镜S4800观察氧化陶瓷膜的表面形貌。耐腐蚀性能测试采用上海申华牌CHI660e电化学工作站，电化学实验采用三电极系统，工作电极为2024铝合金样品，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为三电极系统。电极为铂电极，测试溶液为室温，质量分数3.5%的NaCl溶液，初始电位-1.2 V，最终电位1.2 V，扫描段数1，最终电位保持时间0，扫描速度1 mV/s，测试区域10 cm2，使用石蜡对非测试区域进行密封。使用德国制造的EPK Minitest 720膜厚计测量样品表面5个点的陶瓷膜厚度，取平均值。

2 结果与讨论2.1 脉冲频率的影响图2显示了改变脉冲频率时黑色氧化膜的表面形貌，可以看出微弧氧化膜的表面由许多“凹坑”组成。这是因为通电时电压不断升高，氧化膜层被破坏，形成放电通道，于是反应产生的气体从放电通道中释放出来，形成部分熔化的氧化铝来做。表面的氧化铝从放电通道释放到电解液中，由于磁力搅拌器和低温恒温槽的冷却作用，熔融的氧化铝迅速凝固沉积，形成特殊的凝固沉积物形状。随着脉冲频率的增加，膜表面的平整度和孔隙率先增大后减小，但在脉冲频率为500 Hz时，表面变得更光滑，孔隙率更低。

图3为不同脉冲频率下黑色微弧氧化膜的动电位极化曲线，显示出随着脉冲频率的增加，自腐蚀电位先正移后负移的趋势，可以得出：改变脉冲频率时的极化曲线和黑色微弧氧化膜厚度的拟合结果如表3所示，并采用式（1）计算腐蚀速率。

其中V是腐蚀速率，J是自腐蚀电流密度，M是相对原子质量，n是化合价，是密度。其中，Al元素的相对原子量为27，价数为Al+3价，密度为2.74g/cm 3 。

当脉冲频率为500 Hz时，自腐蚀电位最正，为-0.549 V，钝化区较宽。钝化区较明显，自腐蚀电流较低，腐蚀速度较慢。膜厚随着脉冲频率的增加而增加，当脉冲频率为1000 Hz时，微弧氧化膜厚度最大达到29.04 m。这是因为在1001000Hz的频率范围内，有足够的放电能量，随着频率的增加，单位时间内的放电次数增多，表面破碎区域增多，形成薄膜。被晋升。速度越快，生成的薄膜层数越多，薄膜变得越厚。

2.2 占空比的影响图4为黑色微弧氧化膜在不同占空比下的表面形貌图片，随着占空比的增加，表面孔隙率和平整度先增大后减小，我是这么理解的。当占空比为20%时，膜层表面的放电通道和孔隙明显减少，表面较为光滑。

图5为各占空比下黑色微弧氧化膜的极化曲线，表4为各占空比下的极化曲线与黑色微弧氧化膜膜厚的拟合结果。占空比的增加与自腐蚀电位和腐蚀速率的变化之间没有明确的模式。当占空比为20%时，自腐蚀电位最正，为-0.517 V，腐蚀速率为11.29 nm/a。随着占空比的增加，薄膜厚度先增加后减小，占空比为20%时薄膜厚度最大为31.29 m。

2.3 反应时间的影响图6为不同反应时间黑色微弧氧化膜的扫描电镜照片，可以看出，反应时间越长，反应越剧烈。在流动模式下，电压不断升高，表面的氧化膜不断被破坏，形成更多的放电通道，产生的气体在表面形成更多的“火山口”状孔洞，并形成特殊的层状结构。当反应时间达到10 min时，由于热应力的作用，表面出现微裂纹。

图7为各反应时间的黑色微弧氧化膜动电位极化曲线，表5为各反应时间的极化曲线与黑色微弧氧化膜膜厚的拟合结果。根据表5的结果可以看出，随着反应时间的增加，电压（绝对值）不断增加，膜厚不断增加。当反应时间为4分钟时，自腐蚀电位在-0.504V时最正，腐蚀速率最低。随着反应时间的增加，镀层的表面电压会增加，熔融的铝化合物会不断释放出来，因此镀层的厚度会逐渐变厚，但表面的弧光也会随之增加。电压的增加。马苏。当形成膜层时，弧光密度降低，膜层表面放电通道变大，来不及闭合，使膜层内部孔洞数量增多，耐腐蚀性降低。

2.4 黑色微弧氧化膜的成分及结构分析图8 为黑色微弧氧化膜的能谱，表6 为化学成分表，可以看出，主要成分不随在强电场作用下，电解液中的NH4VO3强烈吸附到实验表面，由于NH4VO3引起以下反应，表面也出现含钒的氧化物。

图9显示了黑色微弧氧化膜的X射线衍射图。图中可以看到四个Al衍射峰，这是由于氧化陶瓷膜很薄以及X射线直接照射到铝合金基体上造成的。在20和35衍射角之间出现较宽的衍射峰，表明薄膜结构为非晶态Al2O3。

3、结论(1)对于(NaPO3)6-Na2SiO3体系，基于最正自腐蚀电位，频率为500 Hz，占空比为20%，反应时间为4分钟，综合性能是最好的。

(2)薄膜表面除非晶态Al2O3外，NH4VO3反应生成含钒氧化物，与Al2O3反应生成黑色氧化膜。

(3)氧化时间直接影响氧化膜的厚度，厚度随时间增加线性增加。

参考

[1] 马国锋，刘志阳，何春林，2024 铝合金氧化物陶瓷膜的制备及性能，沉阳大学学报（自然科学版），2020，32（2）:91

[2]刘志扬.新型铝合金陶瓷膜的制备及性能研究[论文].沉阳：沉阳大学，2021

[3] 杜春云，赵华，戴志云，等，2A12铝合金微弧氧化黑色涂层的制备及性能，Mater Lett，2019，236: 732doi: 10.1016/j.matlet.2018.11.064

[4]丁正峰. Al2024 T3与Al6061 T6薄膜硫酸阳极氧化速率差异的机理研究. 冲浪涂层技术， 2019, 357: 280doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.09.083

[5] 田勤文，吴明中，彭书豪等，微弧氧化黑膜制备工艺、着色机理及应用的研究现状与展望，材料保护，2018，51(7):115

[6] 张灿，吴振军. 重量法测定热镀锌铁合金钢板钝化膜和防指纹膜质量. 金属世界，2022(5):6

[7]毛伟民.电解电容器阳极铝粉氧化膜的特性及设计.金属世界，2022(1):32

[8] 郑金杰，苗景国，于健等，脉冲频率对7075铝合金微弧氧化陶瓷涂层的影响，轻合金加工技术，2018，46(5):46

[9]陆程.铝合金黑色微弧氧化物陶瓷涂层的制备及性能研究[论文].兰州：兰州理工大学，2016

[10]刘婉莹，刘莹，陈龙等，石墨烯纳米片对D16T铝合金微弧氧化膜结构与性能的影响，表面技术，2020，49(5):237

[11] Elaish R, Curioni M, Gowers K, et al. 氟离子对铝上阻挡型薄膜生长的影响，Electrochim Acta, 2017, 245: 854doi: 10.1016/j.electacta.2017.06.034

[12]宋俊涛，秦红霞，仓大强，等，电脉冲对HRB335钢筋凝固组织的影响，金属世界，2004(6):15

[13]王国军，韩毅，刘克彦.热挤压棒材显微组织与力学性能分析.金属世界，2008(5):30

文章来源——金属世界