镁合金微弧氧化技术的研究现状

孔 冰， 邵忠财， 陈靖涵， 金俊刚

（沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159）

镁合金微弧氧化技术的研究现状

孔 冰， 邵忠财， 陈靖涵， 金俊刚

（沈阳理工大学 环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159）

微弧氧化技术是一种针对铝、钛、镁等阀金属及其合金进行表面陶瓷化的新技术。介绍了微弧氧化技术的原理、电解液体系及存在的问题，并对将来的发展趋势做了展望。

镁合金；微弧氧化；耐蚀性

0 前言

镁合金是目前工业上最轻的金属结构材料。与其他普通的金属结构材料和工程塑料相比，镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、机械加工性能优良、可回收利用及对环境的污染小等优点［1－3］。镁合金已经成为一种十分理想的现代工业材料，被广泛用于航空航天、军事、核能、汽车制造及电子通讯等领域［4］。镁合金与氧的亲合力大，容易在大气环境中发生腐蚀。适当的表面处理可以提高镁合金的耐蚀性［5］。镁及镁合金表面改性常采用化学转化膜、热喷涂、离子注入、气相沉积、电镀、激光表面处理、阳极氧化、微弧氧化等方法［6－9］。

1 镁合金微弧氧化的原理

微弧氧化又称微等离子体氧化或阳极火花沉积，是一种将铝、钛、镁等有色金属或其合金置于特殊的电解液中，通过微等离子体放电，直接在金属或合金表面原位生长陶瓷膜的新技术［10－11］。它是在阳极氧化的基础上建立起来的一种新方法。

一般认为，微弧氧化过程经过四个阶段［12－17］。

（1）阳极氧化阶段

将样品置于一定的电解液中，通电后，样品表面和阴极表面出现无数细小均匀的白色气泡，而且随电压升高，气泡逐渐变大变密，生成速率也不断加快。在达到击穿电压之前，这种现象一直存在，这一阶段就是阳极氧化阶段。

（2）火花放电阶段

当施加到样品的电压达到击穿电压时，样品表面开始出现无数细小、亮度较低的火花点。这些火花点密度不高，无爆鸣声。在该阶段，样品表面开始形成陶瓷层，但陶瓷层的生长速率很小，硬度和致密度较低，所以应尽量减少这一阶段的时间。

（3）微弧氧化阶段

进入火花放电阶段后，随着电压继续升高，火花逐渐变大变亮，密度增加。随后，样品表面开始均匀地出现放电弧斑。弧斑较大、密度较高，随电流密度的增加而变亮，并伴有强烈的爆鸣声，此时即进入微弧氧化阶段。

（4）熄弧阶段

微弧氧化阶段末期，电压达到最大值，陶瓷层的生长将出现两种趋势。一种是样品表面的弧点越来越疏并最终消失，表面只有少量的细碎火花，这些火花最终消失，爆鸣声停止。另一种是表面只有少量的细碎火花，这些火花最终会完全消失，同时其他一个或几个部位突然出现较大的弧斑。这些较大的弧斑光亮刺眼，可以长时间保持不动，并且产生大量气体，爆鸣声增加。

2 微弧氧化电解液体系

电解液的组成对微弧氧化陶瓷层有着重要的影响。在不同的电解液中，微弧氧化陶瓷层的生长速率、结构、成分和元素分布皆有不同［18］。目前微弧氧化电解液分为酸性体系和碱性体系。酸性电解液为浓硫酸或磷酸和其他盐溶液，不仅污染环境，而且对样品有一定的腐蚀作用，所以现在已很少使用。弱碱性电解液成了近几年的主要研究对象。按照主成膜元素的不同，弱碱性电解液主要包括磷酸盐体系、硅酸盐体系、铝酸盐体系及复合电解液体系［19］。

2.1 磷酸盐体系

在磷酸盐体系电解液中制备的陶瓷膜表面多孔，截面组织均匀致密，没有明显的分层结构，膜层与基体结合良好，耐蚀性较好［20－22］。虽然磷元素能够促进微弧氧化膜增长、提高致密性、增强结合力和提高耐蚀性［23］，但磷酸盐对人体和环境有不同程度的危害，使其实际应用受到了限制。

2.2 硅酸盐体系

硅酸盐是最适合微弧氧化的电解质成分之一，可在较宽的电解液温度及氧化电流范围内，促进合金表面钝化，形成性能较佳的含硅氧化膜［24］。从微观组织结构看，硅酸盐体系得到的氧化膜由三层组成，最外层是疏松层，中间层是致密层，内层是过渡层。其中致密层对提高耐蚀性起主要作用。

2.3 铝酸盐体系

铝酸盐也是适合微弧氧化的电解质成分，它可以降低电解液的腐蚀作用，促进陶瓷涂层的生长，特别适用于镁合金微弧氧化膜的制备。铝酸盐体系对环境没有任何危害，所形成的膜层由两层组成，外层为疏松多孔层，内层为致密层。铝酸盐体系的陶瓷膜表面非常光滑，有良好的外观。相对于硅酸盐体系，铝酸盐体系所得膜层的耐磨性更好。但在成膜速率、耐蚀性方面，铝酸盐体系稍差于硅酸盐体系［25］。

2.4 复合电解液体系

近年来，在以上三种体系的基础上，利用各体系的优点，开发出一系列复合电解液体系，包括硅酸盐－铝酸盐、硅酸盐－磷酸盐、铝酸盐－磷酸盐、铝酸盐－钼酸盐等体系。Na2SiO3－NaAlO2体系与单一的铝酸盐或硅酸盐体系相比，所得陶瓷膜的耐蚀性更好，且致密、光滑。但是，该电解液体系不稳定，微弧氧化时间过长，容易在电解液中产生絮状Al（OH）3沉淀［26］。Na2SiO3－（NaPO3）6体系较稳定，氧化膜外观较好，耐蚀性也较理想。

3 微弧氧化技术的优点及存在的问题

微弧氧化技术是在阳极氧化的基础上发展起来的，工艺上有着突出的特点：（1）电解液呈弱碱性，对环境没有污染；（2）工艺简单，对工件的预处理只要求表面去污去油，不需要去除表面的自然氧化层，适用于大规模自动化产生；（3）微弧氧化可以一次完成，也可以分几次完成，而阳极氧化一旦中断就必须重新开始；（4）不需要真空或低温条件。

但该技术目前仍存在一些问题。例如：微弧氧化膜的形成过程相当复杂，机制研究不足［9］；氧化电压较常规阳极氧化的高得多，操作时要注意安全；微弧氧化的电流效率较低；电解液温度上升较快，需冷却［27］。

4 展望

微弧氧化陶瓷膜具备阳极氧化膜和陶瓷喷涂层两者的优点，在航空航天、机械、纺织、医疗、电子和装饰等领域有着非常广阔的应用前景。随着研究工作的不断深入，微弧氧化技术一定会体现出更大的技术价值和经济效益。

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Research Progress on Micro-arc Oxidation Technique for Magnesium Alloy

KONG Bing， SHAO Zhong-cai， CHEN Jing-han， JⅠN Jun-gang
（School of Environmental and Chemical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

Micro-arc oxidation is a novel technique to deposit ceramic coatings on the surface of valve metals such as Al，Ti，Mg and their alloys.The principle，electrolyte system and existing problems of micro-arc oxidation technology were introduced，and the future trend was also prospected.

magnesium alloy；micro-arc oxidation；corrosion resistance

TG 174

A

1000-4742（2015）02-0004-03

2013-06-25