基于等离子体电解氧化和激光重熔的铝合金表面陶瓷化技术

喻 杰，狄士春，杨俊杰，王 岩

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

基于等离子体电解氧化和激光重熔的铝合金表面陶瓷化技术

喻 杰，狄士春，杨俊杰，王 岩

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

介绍了一种等离子体电解氧化和激光重熔的复合工艺，可对铝合金表面进行陶瓷化。分析了激光与等离子体电解氧化膜层相互作用过程中的等离子体现象，根据对膜层的不同影响，将其归纳为3种类型的等离子体，并进一步阐述了等离子体电解氧化和激光重熔工艺的相互影响。电子显微镜和超显微硬度计检测结果表明：激光重熔降低了等离子体电解氧化膜层的孔隙率，并提高了致密度和硬度。

等离子体电解氧化；激光重熔；铝合金；等离子体

等离子体电解氧化 （PEO）表面处理技术是在铝、镁、钛等轻金属及其合金表面制备陶瓷膜层的一种表面处理方法，它通过微弧放电形成高温高压的等离子体通道，瞬间完成烧结过程，在材料表面原位生长陶瓷膜[1-2]。这使等离子体电解氧化膜层既具有优异的硬度、耐磨、防腐和绝缘性能，又与基体形成了良好的结合力[3]。通常，等离子体电解氧化膜层的生长经历以下几个过程：击穿膜层形成高温高压放电通道；基体和氧化物融化；高温熔融物氧化和喷出；氧化物遇冷凝固重构[4]。在此过程中，膜层表面形成大量尺寸、形态不一的微孔，且表层膜层疏松多颗粒，所以等离子体电解氧化膜层的形貌表现为疏松多孔。激光重熔（LSM）是近年来迅速发展起来的新型表面处理技术，它利用高能密度的激光束与表层物质相互作用，使膜层表面形成熔池，随之快速扩散及凝固，引起材料表面组织结构、物理状态和相组成发生变化，完成表面改性过程，从而提高材料的耐磨、防腐和抗氧化性能。众多研究表明，激光重熔有利于消除材料缺陷，改善陶瓷体力学性能，重熔和再凝固可实现多孔陶瓷的封孔[5-7]。

1 实验方法和检测设备

实验样件采用6063铝合金材料，其成分见表1，尺寸为30 mm×15 mm×4 mm。样件经砂纸打磨后，先后在清水和酒精中清洗，然后烘干。将样件置于NaAlO2-KOH体系的工作液中，在正向电流密度

为10 A/dm2和负向电流密度为4 A/dm2的脉冲电流作用下进行等离子体电解氧化处理，40 min后得到PEO膜层。再将PEO膜层样件清洗、烘干后，置于带有三轴数控系统的激光工作台上进行重熔处理。

表1 6063铝合金成分构成

激光器型号为LUMONICS JK700，选取的激光重熔参数如下：焦点至膜层表面距离为12～15 mm，激光功率为23～31 W，扫描速度为2～6 mm/s，激光扫描重叠率为50%。采用SIRION扫描电子显微镜（SEM）和超景深光学显微镜分析等离子体电解氧化膜层重熔前后的微观形貌，采用DUH-W201S型超显微硬度计测量膜层表面硬度。

2 实验结果与分析

2.1 等离子体电解氧化膜层激光重熔过程的等离子体现象

在激光束照射等离子体电解氧化膜层的光斑内，大量红色或白色的小火花均匀分布于膜层表面，且光斑的光强随着能量密度的增加而增加，偶尔伴随着轻微的爆破声。如图1所示，随着激光能量密度逐渐增强，激光光斑颜色逐渐由暗变白。等离子体电解氧化膜层在激光能量辐射作用下，部分氧化物被液化或气化，甚至离化，在光斑内形成能强烈吸收激光能量的等离子体。在激光束低能量密度条件下形成的光斑为弱等离子体（图1a）；在高能量密度下形成的光斑为强等离子体（图1e、图1f）；在合理的能量密度下形成的光斑为正常等离子体（图1b～图1d）。

图1 不同激光能量密度下的等离子体电解氧化膜层光斑处的等离子体形态

实验发现在膜层重熔过程中，弱等离子体对膜层重熔效果不明显，表现为重熔不均匀和重熔层薄；强等离子体对膜层具有破坏性，表现为膜层的烧蚀和崩落。因此，为了使膜层具有较好的重熔效果，应合理设置激光功率、焦距和扫描速度，使光斑内多为正常等离子体。

2.2 等离子体电解氧化膜层激光重熔工艺特征

等离子体电解氧化膜层的激光重熔过程中，随着等离子体和膜层熔池的形成，激光束与膜层表面完成能量交换。为了获得较好的重熔效果，激光能量交换过程中应满足如下条件：①激光辐射下，在膜层表面形成的高温点能量充足，至少能融化基体氧化物、电解液溶质生成的氧化物或膜层杂质三者之一，从而形成微小熔池；② 激光光斑驻留时间足以使离散的小熔池生长成连续的重熔层；③光斑能量密度不宜过高或过低，形成强或弱的等离子体，且光斑驻留时间不宜过长，破坏等离子体电解氧化膜层与基体的结合力。

光斑内达到热平衡后的高温点温度值由激光功率和焦距决定，光斑驻留时间由扫描速度决定。为了满足上述3个条件，激光重熔的功率、焦距和扫描速度应合理配置，使光斑内为正常等离子体，从而形成较好的膜层表面形貌（图2a）。若在膜层表面形成强等离子体，将使膜层崩落，露出金属基体，破坏膜层性能（图2b）。

图2 等离子体电解氧化膜层在不同等离子体作用下的重熔效果

2.3 等离子体电解氧化膜层对后续激光重熔工艺的影响

激光束将能量输入至多孔等离子体电解氧化

膜层表面后，膜层表面氧化物被快速重熔和凝固。实验发现等离子体电解氧化膜层表面形貌、厚度、颜色和组成会对后续激光重熔产生影响。膜层表面微孔尺寸较小、数量多的形貌较易形成均匀连续的重熔层；膜层厚度较小时，易引起膜层崩落，同时破坏膜层结合力；在膜层颜色方面，棕色和黑色等深色膜层较白色膜层对激光的吸收性能好，所需激光功率阈值低，有利于膜层的均匀重熔；在等离子体电解氧化膜层中含有较基体氧化物（Al2O3、MgO、TiO2）熔点低的物质，在低温光斑内更易形成等离子体和熔池，有利于降低激光重熔的温度阈值，如：在硅酸盐体系中制备的等离子体电解氧化膜层比在铝酸盐中制备的具有更低的激光重熔功率阈值，此为硅酸根离子进入放电通道后，形成了较低熔点的SiO2。因此，在等离子体电解氧化膜层的激光重熔改性过程中，需要考虑合理的工艺衔接性。

2.4 激光重熔改性等离子体电解氧化膜层的效果

图3是等离子体电解氧化膜层重熔前后的截面形貌。图3a所示的等离子体电解氧化膜层外层多孔和裂纹，经激光重熔后，膜层孔隙率降低，尤其是直径较大的孔隙数目降低，致密性得到改善（图3b）。同时，膜层的平均硬度值也由激光重熔前的592 HV变为1285 HV，膜层硬度得到明显改善，有助于增强其耐磨性能。程中，合理的激光工艺和等离子体电解氧化工艺对最终形成的膜层性能都有重要的影响。

（1）激光功率、焦距、扫描速度等参数需合理配置，使等离子体电解氧化膜层表面的激光光斑内形成正常等离子体。

（2）制备的等离子体电解氧化膜层应尽可能适应激光重熔工艺，微孔尺寸较小、数量多、厚度合适、颜色较深、含有低熔点物质的等离子体电解氧化膜层具有较好的可重熔性。

（3）重熔后的等离子体电解氧化膜层具有较致密的形貌和较高的硬度。

图3 等离子体电解氧化膜层激光重熔前后的截面形貌

[1] Yerokhin A L，Nie X，Leyland A，et al.Plasma electrolysis for surface engineering[J].Surface and Coatings Technology，1999，122（2-3）：73-93.

[2] Li H X，Rudnev V S，Zheng X H，et al.Characterization of Al2O3 ceramic coatings on 6063 aluminum alloy prepared in borate electrolytes by micro-arc oxidation[J]. Journal of Alloys Compounds，2008，462（1-2）：99-102.

[3] 王亚明，雷廷权，蒋百灵，等.氧化处理时间对Ti-6Al-4V微弧氧化陶瓷膜的影响 [J].材料科学与工艺，2003，11（3）：244-247.

[4] 王艳秋，王岳，陈派明，等.7075铝合金微弧氧化涂层的组织结构与耐蚀耐磨性能 [J].金属学报，2011，47（4）：455-461.

[5] Yamaguchi S，Shibata T，Itoh S.Oxidation behavior of TiAl at high temperature in purified oxygen[J].Materials Transaction，1991，32（2）：151-156.

[6] Wallance T A，Clark R K，Wiedemann K，et al.Oxidation characteristics of Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo[J].Oxidation of Metals，1992，37（3-4）：111-124.

[7] Shimizu T，Ikubo T，Isobe S.Cyclic oxidation resistance of an intermetallic compound TiAl[J].Materials Science and Engineering，1992，A153（1-2）：602-607.

3 结论

在等离子体电解氧化膜层的激光重熔改性过

Aluminum Alloy Surface-Ceramic Technology Based on Plasma Electrolytic Oxidation and Laser Melting and Solidification

Yu Jie，Di Shichun，Yang Junjie，Wang Yan
（Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China ）

A compound technology of plasma electrolytic oxidation (PEO)and laser melting and solidification (LSM)technologies which could produce a ceramic coating on the aluminum surface was introduced.The plasma phenomenon during the LSM and PEO coatings interactions produced by three different kinds of plasma were analyzed.The relationship between PEO and LSM process in the compound technology was further demonstrated.The measuring results of SEM and ultra micro hardness tester proved that the porosity factor of the ceramic coating was lowered while the density and hardness were promoted by LSM.

plasma electrolytic oxidation；laser melting and solidification；aluminum alloy；plasma

TG178

A

1009－279X（2014）02－0057-03

2013-11-02

喻杰，男，1986年生，博士研究生。