铝合金微弧氧化工艺优化及膜层耐蚀性研究

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铝及其合金材料具有延展性好、质轻、易加工及比强度高等优点,被广泛的应用于许多领域,但同时它们也存在耐磨耐蚀性差、硬度低等缺点,这又很大程度上限制了它们的应用范围。微弧氧化是一种在阳极氧化基础上发展起来的新型表面处理技术。应用微弧氧化技术对铝及其合金进行表面处理能得到一层致密性良好的陶瓷膜层。该膜层具有耐磨耐蚀性好、硬度高,并与基体结合牢固等优点,被广泛应用于航空航天、机械、电气、汽车、国防军工等领域。本文选取6063铝合金材料并对其进行微弧氧化处理。在初始工艺参数下(电流密度15A/dm2.氧化时间20min,频率3500Hz,温度20℃),采用单因素分析法,分别探索了电解液中不同硅酸钠、氢氧化钠及EDTA二钠浓度对微弧氧化的起弧电压、所得膜层厚度、硬度和耐蚀性的影响。从而优化出最佳电解液组成:硅酸钠浓度9.0g/L、氢氧化钠浓度2.0g/L、EDTA二钠浓度0.7g/L在优选出的最佳电解液组成条件下,本文选取四因素三水平正交设计实验对微弧氧化过程中的工艺参数进行优化。所选择的四因素三水平分别为:电流密度:10A/dm2、15A/dm2、20A/dm2;温度:20℃、30℃、40℃;氧化时间:10min、20min、30min;频率:1500Hz、2500Hz、3500Hz。采用极差分析法对正交实验结果进行分析,优选出最佳工艺参数组成:电流密度15A/dm2,氧化时间20min,频率3500Hz,温度20℃。在最佳电解液和工艺参数下,制得微弧氧化陶瓷膜层,利用SEM及EDS对所得膜层表面、截面形貌和膜层微区元素进行分析。通过表面形貌可看出膜层表面凸凹不平较粗糙且存在少量微孔和裂纹;截面形貌的观察可看出膜层主要由过渡层、致密层和疏松层构成,同时进一步证实膜层表面微孔和裂纹内部是封闭的;通过EDS分析得出膜层中Al、O、Si三种元素含量较高,还有少量的钠元素存在,其中硅、钠元素主要来自电解液,说明电解液成分参与了成膜。利用XRD分析得出膜层主要组分是α-Al2O3, γ-Al2O3和SiO2,其中α-Al2O3的含量较高。本文主要利用电化学方法(极化曲线和交流阻抗法)对所得膜层耐蚀性进行分析。通过极化曲线分析可得不同条件下所得膜层腐蚀电压及腐蚀电流密度的大小,从而比较膜层耐蚀性强弱;利用ZSimpWin软件对所得交流阻抗图拟合等效电路,得出相应参数电荷转移电阻、膜层双电层电容及膜层电阻等。通过电化学方法对最优条件下制得的膜层进行不同浸泡时间的耐蚀性测试,得出随着浸泡时间延长,腐蚀电压负移、腐蚀电流密度变大、电荷转移电阻减小,由此说明膜层的耐蚀性越来越差。
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