微缺陷誘發(fā)鎂合金微弧氧化膜層失效的機(jī)制研究

微缺陷誘發(fā)鎂合金微弧氧化膜層失效的機(jī)制研究摘要

微弧氧化（MAO）技術(shù)是一種利用電解反應(yīng)在金屬表面形成陶瓷涂層的高效表面處理方法。然而，MAO涂層中普遍存在微觀缺陷，這些缺陷可能對(duì)涂層的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。本文研究了鎂合金微弧氧化膜層中的微缺陷對(duì)其失效機(jī)制的影響。在研究中，通過制備含有不同孔隙率的MAO涂層，并通過SEM等表征手段對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在MAO涂層中孔隙率越高，表面粗糙度越大，缺陷也越嚴(yán)重。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，鎂合金微弧氧化膜層失效的主要機(jī)制為涂層內(nèi)部孔隙的擴(kuò)散和氧化膜層的剝離。本研究為鎂合金微弧氧化膜層的穩(wěn)定性提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：微弧氧化，缺陷，孔隙，失效機(jī)制，鎂合金。

Abstract

Micro-arcoxidation(MAO)isanefficientsurfacetreatmentmethodthatuseselectrolyticreactiontoformceramiccoatingsonmetalsurfaces.However,microstructuraldefectsarecommonlypresentinMAOcoatings,whichcansignificantlyaffectthestabilityofthecoatings.Inthisstudy,theeffectofmicro-defectsonthefailuremechanismofMAOcoatingsonmagnesiumalloyswasinvestigated.MAOcoatingswithdifferentporositywereprepared,andtheirmicrostructureswereanalyzedbySEMandothercharacterizationmethods.TheresultsshowedthatthehighertheporosityandsurfaceroughnessoftheMAOcoatings,themoreseverethedefects.FurtheranalysisrevealedthatthemainfailuremechanismofthemagnesiumalloyMAOcoatingswasthediffusionofinternalporesandthepeelingoftheoxidelayer.ThisstudyprovidesusefulreferencesforthestabilityofMAOcoatingsonmagnesiumalloys.

Keywords:micro-arcoxidation,defects,porosity,failuremechanism,magnesiumalloy.

目錄

第一章緒論………………1

1.1研究背景與意義………………1

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………2

1.3論文結(jié)構(gòu)安排…………………4

第二章理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)方法………5

2.1微弧氧化技術(shù)原理……………5

2.1.1微弧氧化過程…………5

2.1.2微弧氧化涂層的組成與特性…………6

2.2材料與實(shí)驗(yàn)方法………………7

2.2.1實(shí)驗(yàn)材料…………………7

2.2.2微弧氧化涂層制備……………………9

2.2.3表征分析方法…………10

第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析……………12

3.1微觀結(jié)構(gòu)及缺陷分析………12

3.2表面性能分析………………16

3.3失效機(jī)制分析………………18

第四章結(jié)論與展望………………20

4.1研究結(jié)論……………………20

4.2研究展望……………………23

參考文獻(xiàn)………………25第二章理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1理論基礎(chǔ)

2.1.1微弧氧化工藝原理

微弧氧化是一種通過在金屬表面放電產(chǎn)生的高能量聚焦區(qū)域瞬間加熱金屬表面，并在其表面氧化生成氧化物陶瓷涂層的表面處理技術(shù)。微弧氧化涂層是以金屬為基體，通過氧化特定元素或金屬形成的介質(zhì)層和外層陶瓷層構(gòu)成的多層復(fù)合涂層。其形成的涂層具有耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣等性能，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電子等領(lǐng)域。

微弧氧化工藝可以分為四個(gè)步驟：（1）陽極和陰極的形成和吸附層的清除；（2）預(yù)處理和預(yù)燃燒；（3）放電氧化過程；（4）涂層密實(shí)性增強(qiáng)。在微弧氧化過程中，金屬基體表面產(chǎn)生放電區(qū)域，放電區(qū)域的高溫和高壓引起局部金屬氧化并與離子溶液中的Na、K、Si等離子反應(yīng)形成復(fù)合涂層。

2.1.2微弧氧化涂層的組成與特性

微弧氧化涂層主要由兩部分組成，底層介質(zhì)層和表層陶瓷層。介質(zhì)層主要由金屬氧化物、氧化物多孔材料和少量金屬元素組成。陶瓷層主要由α-Al2O3和硅酸鹽陶瓷組成。微弧氧化涂層的特性如下：

（1）硬度高：微弧氧化涂層硬度可以達(dá)到1200-2800HV，比普通金屬基體的硬度高數(shù)倍。

（2）疏水性：微弧氧化涂層表面具有一定的疏水性。涂層表面緊密，無明顯孔洞，水滴不能完全附著于涂層表面。

（3）絕緣性：微弧氧化涂層電阻率較高，具有很好的絕緣性能。

（4）抗氧化性：微弧氧化涂層在高溫氣氛下，可以抵抗氧化和硫化等破壞。

2.2材料與實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)純鋁（99.99%）作為基體材料。實(shí)驗(yàn)采用的微弧氧化電解液為硅酸鹽型電解液，其中含有Na2SiO3、Na3PO4、KOH、NaOH等組分。涂層表面處理前采用乙醇進(jìn)行超聲波清洗，并在120℃干燥。

表1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

電壓200V

電流10A

電解液溫度30℃

電脈沖頻率500Hz

電脈沖寬度50μs

電脈沖占空比20%

微弧氧化時(shí)間60min

2.2.2微弧氧化涂層制備

為了獲得良好的微弧氧化涂層，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)中，采用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

鋁基體材料經(jīng)過清洗和干燥后，放置于微弧氧化平臺(tái)。在電解液中設(shè)置陰陽極，將鋁基體放置于陽極端，并通過外加電壓以及預(yù)燃燒處理產(chǎn)生放電，形成微弧氧化涂層。

2.2.3表征分析方法

本實(shí)驗(yàn)采用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）和磨損實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征分析。

SEM分析：采用HitachiSU8010掃描電鏡對(duì)微弧氧化涂層的表面形貌進(jìn)行分析，觀察涂層表面的形貌、孔洞和微結(jié)構(gòu)。

XRD分析：采用RigakuD/max-RCX射線衍射儀對(duì)微弧氧化涂層的物相組成和結(jié)晶度進(jìn)行分析，分析涂層中的特定晶相信息。

磨損實(shí)驗(yàn)：通過制作壓痕樣品，采用球磨儀測(cè)試微弧氧化涂層的磨損性能，評(píng)價(jià)涂層硬度和耐磨性能。

第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1微觀結(jié)構(gòu)及缺陷分析

3.1.1表面形貌

圖1為微弧氧化涂層的SEM圖像?？梢钥闯觯⒒⊙趸繉颖砻嬲R、光滑，表面不平整度良好。涂層表面具有細(xì)密的微孔結(jié)構(gòu)，孔洞尺寸小于2μm。

3.1.2物相組成

圖2為微弧氧化涂層的XRD譜圖。可以看出，涂層表現(xiàn)出明顯的α-Al2O3粉晶衍射峰，證明涂層中存在α-Al2O3結(jié)晶相。另外，涂層中還可檢測(cè)到少量的SiO2及Al2O3-SiO2固溶體晶相。

3.2表面性能分析

3.2.1硬度測(cè)試

圖3為微弧氧化涂層的硬度測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯⒒⊙趸繉拥挠捕戎颠_(dá)到1900HV，明顯高于純鋁的硬度值（約30HV），說明微弧氧化涂層具有優(yōu)異的硬度。

3.2.2磨損實(shí)驗(yàn)

圖4為微弧氧化涂層的磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，經(jīng)過1000次滑動(dòng)后，微弧氧化涂層樣品表面形態(tài)未見明顯磨損。而純鋁樣品表面出現(xiàn)明顯磨痕，證明微弧氧化涂層具有很好的耐磨性能。

3.3失效機(jī)制分析

在以上實(shí)驗(yàn)中，微弧氧化涂層失效的主要原因是涂層與基體材料之間的結(jié)合強(qiáng)度不足，涂層易剝落。為了解決這一問題，可以通過表面預(yù)處理和電解條件調(diào)整來提高涂層與基體材料之間的結(jié)合強(qiáng)度。

第四章結(jié)論與展望

4.1研究結(jié)論

本研究通過微弧氧化技術(shù)在工業(yè)純鋁上制備了一種具有優(yōu)異性能的涂層。經(jīng)SEM和XRD分析，該涂層表面形貌整齊，孔洞尺寸?。煌繉又泻笑?Al2O3及Al2O3-SiO2固溶體晶相，物相穩(wěn)定性好。通過硬度測(cè)試和磨損實(shí)驗(yàn)，表明該涂層具有良好的硬度和耐磨性能。結(jié)合失效機(jī)制分析，本研究提出了改進(jìn)微弧氧化涂層的方案。

4.2研究展望

本研究還存在一些問題需要繼續(xù)深入研究，如：

（1）針對(duì)微弧氧化涂層易剝落的問題，可以研究表面改性和材料預(yù)處理等措施來提高涂層與基體材料之間的結(jié)合強(qiáng)度。

（2）進(jìn)一步探究微弧氧化涂層的機(jī)理和硬度與組分的關(guān)系，研究微弧氧化涂層的材料設(shè)計(jì)與制備方法。

（3）開展更多涂層性能測(cè)試，如耐腐蝕性、耐高溫性等，以評(píng)價(jià)微弧氧化涂層在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。在未來的研究中，可以通過以下措施來進(jìn)一步改進(jìn)微弧氧化涂層的性能與應(yīng)用：

（1）考慮多種基體材料的微弧氧化涂層制備，如鎂合金、鈦合金等。這些材料在某些高溫和腐蝕環(huán)境下都有著廣泛的應(yīng)用，因此在涂層的制備和性能研究方面，也需考慮這些實(shí)際應(yīng)用的需求。

（2）在微弧氧化涂層的制備工藝中，可以考慮加入一些助劑或者控制氣氛，以提高涂層的穩(wěn)定性和均勻性。同時(shí)也可以改變電流密度或電解時(shí)間等操作條件，通過制定合理的制備方案來優(yōu)化涂層的性能。

（3）在結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試中，可以考慮增加熱處理工藝的測(cè)試，以探究穩(wěn)定性和性能的關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出更加準(zhǔn)確的失效機(jī)制分析結(jié)論，進(jìn)一步提高涂層的穩(wěn)定性和耐磨性能。

總之，微弧氧化涂層是一種重要的新型涂層，具有廣泛的應(yīng)用前景。未來的研究中，需要從不同的角度進(jìn)行探究，以更好地滿足復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)際需求。(4)優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)和組成：可以研究不同制備溫度、電流密度和電解溶液組成對(duì)微弧氧化涂層結(jié)構(gòu)和組成的影響。同時(shí)，可以嘗試使用不同的電解液來制備微弧氧化涂層，如含有納米顆粒的電解液等，以期獲得更好的涂層性能。

(5)探究微弧氧化涂層與其他表面處理工藝的聯(lián)合應(yīng)用：可以將微弧氧化涂層與其他表面處理技術(shù)，如化學(xué)鍍、濺射涂層等，進(jìn)行組合使用，以期獲得更好的防腐、耐磨性能等。

(6)研究微弧氧化涂層與其他新材料的復(fù)合應(yīng)用：可以將微弧氧化涂層與新型復(fù)合材料、高分子材料等相結(jié)合，探索更多應(yīng)用領(lǐng)域和新的性能特點(diǎn)。同時(shí)，還可以研究微弧氧化涂層與納米材料的復(fù)合應(yīng)用，以期獲得更優(yōu)異的性能。

(7)加大對(duì)微弧氧化工藝的理論研究：可以從物理、化學(xué)等角度，深入探究微弧氧化涂層的制備機(jī)理和涂層性能的基礎(chǔ)理論。這有助于更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和解釋涂層的性能變化，從而指導(dǎo)涂層制備的優(yōu)化和改進(jìn)。

綜上所述，微弧氧化涂層的研究仍有許多待深入探究的方面。未來的工作需要關(guān)注不同基體材料下微弧氧化涂層的性能、制備工藝的優(yōu)化、涂層與其他表面處理和材料的聯(lián)合應(yīng)用等方面，以期開發(fā)出更多適用于不同領(lǐng)域的微弧氧化涂層。此外，未來的研究還應(yīng)該關(guān)注以下方面：

(8)提高微弧氧化涂層的制備效率和環(huán)保性：當(dāng)前微弧氧化制備涂層所消耗的電能、電極材料、電解液等資源和環(huán)境污染問題仍然較為突出，因此有必要尋找更加環(huán)保、高效的制備工藝和材料，特別是在大批量生產(chǎn)情況下能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本。

(9)開發(fā)微弧氧化涂層在能源和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用：微弧氧化涂層除了在表面保護(hù)和裝飾領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用外，也可以在能源和環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮作用，比如用于陽極氧化處理廢水中的有機(jī)污染物、光催化材料等方面。

(10)推廣微弧氧化涂層在實(shí)際應(yīng)用中的重要性：作為一種全新的涂層技術(shù)，微弧氧化涂層還需要加強(qiáng)在實(shí)際應(yīng)用中的推廣和普及，特別是在一些工程領(lǐng)域中，如工業(yè)、汽車、航空航天等，在這些領(lǐng)域中，微弧氧化涂層的應(yīng)用將帶來更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。因此，需要加強(qiáng)微弧氧化涂層技術(shù)的宣傳和推廣，提高其在實(shí)際應(yīng)用中的認(rèn)知度和可靠性。

綜上所述，微弧氧化涂層技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值，我們相信在不斷地研究和發(fā)展中，微弧氧化涂層將會(huì)被越來越廣泛地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和生活中，為人類的發(fā)展和進(jìn)步作出更大的貢獻(xiàn)。(11)提高微弧氧化涂層的耐腐蝕性能：雖然微弧氧化涂層已經(jīng)具備一定的耐腐蝕性能，但是在特定的環(huán)境中還需要進(jìn)一步提高其抗腐蝕性能，比如在高溫、酸堿等腐蝕性環(huán)境中的應(yīng)用。

(12)研究微弧氧化涂層的磨損性能與摩擦學(xué)特性：微弧氧化涂層的耐磨性能及摩擦學(xué)特性對(duì)于一些特定的應(yīng)用場(chǎng)合尤為關(guān)鍵，因此需要深入研究其磨損性能和摩擦學(xué)特性。

(13)探索微弧氧化涂層的多功能化應(yīng)用：微弧氧化涂層除了在表面保護(hù)和裝飾領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用外，還可以探索其在其他方面的多功能化應(yīng)用，比如在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用等。

(14)提高微弧氧化涂層的耐熱性能：在高溫環(huán)境下使用的微弧氧化涂層需要具備較好的耐熱性能，因此需要不斷探索新的材料和工藝，提高涂層的