铝合金表面改性技术的研究
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摘 要：较系统地评述国内外铝合金表面改性技术的研究与应用情况，介绍了最近发展的阳极氧化技术和等离子体微弧氧化技术，重点研究了激光熔覆技术特点和研究现状等，并对激光熔覆技术提出了展望。
关键词：铝合金；表面改性技术；激光熔覆
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.056
1 前言
铝合金具有质量轻，比强度和比刚度高，耐腐蚀性好，热传导和加工成型性好等优点，在航空、航天、汽车、船舶交通运输及化工、食品等许多领域中广泛应用。但铝合金的硬度低、耐磨性差，电极电位较低，容易作为阳极产生严重的电偶腐蚀，这些缺点严重限制了铝合金的使用范围。
为了改善铝合金的表面性能，扩大其应用范围并延长使用寿命，表面改性技术成了研究的热点。目前，在研究改变铝合金表面性能的技术中，研究较多的有阳极氧化、等离子喷涂耐磨、等离子微弧氧化、耐腐蚀涂层技术、铝合金基体镶铸耐磨材料等技术，而对铝合金激光表面改性技术，尤其是激光熔覆技术研究的并不是很多。本文对国内外在铝合金表面改性技术方面的发展情况进行了综述，并讨论了激光熔覆表面改性技术的特点和发展前景。
2 常用的方法有
2.1 阳极氧化法
铝合金表面改性技术中阳极氧化是应用最广与最成功的技术，现有的阳极氧化工艺大都采用酸性电解液。阳极氧化法是把铝及其合金置于硫酸、草酸等电解溶液中，并作为阳极，在外加电压的作用下使其表面进行电解，表面生成一层致密的Al2O3 氧化膜膜。 在Al2O3氧化膜形成过程中，同时伴随着氧化膜溶解的过程。当生成的速度大于其溶解速度，即可形成一定厚度的氧化膜。该膜是由致密的阻碍层和柱状结构的多孔层组成的双层结构，与天然的铝合金膜相比显著的提高了其耐蚀性、耐磨性。但阳极氧化技术常见的缺陷有：黑斑点、色泽条纹（带）状、表面不均匀。这些缺陷的产生与材质、预处理、阳极氧化、后处理以及封孔、着色过程的工艺参数和操作有着密切关系[1]。
2.2 等离子体微弧氧化
等离子体微弧氧化（PMAO）又称微等离子体氧化（MPO）、阳极火花沉积（ASD）或火花放电阳极氧化（ANOF），这是一种直接在有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术。它是近十几年在阳极氧化基础上发展起来的，但两者在机理、工艺及膜层性质上有许多区别。其原理是：将Al、Ti、Mg、Zr、Ta和Nb等金属或其合金置于电解质水溶液中，利用电化学方法在材料表面微孔中产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，生成陶瓷膜层的方法[2-7]。
金属材料膜层与基体结合力强，形成的陶瓷化膜层厚度范围较宽，基体表面上获得具有高硬度、耐腐蚀、耐磨损、抗热震等的性能。据工艺参数及电解液成份的不同，可以制备出不同性能的陶瓷膜层，保证使用性能不变的前提下，用廉价的金属材料取代价格昂贵的金属材料，不仅降低了成本，同时可以获得一些其它表面强化技术所无法得到的特殊性能，拓宽了原金属的使用范围。这种技术也已成为国内外研究人员对材料表面改性技术的追踪热点。但是，微弧氧化技术也有一定的缺陷，其耗能较高、高温电解液不容易冷却、噪声也较高，且只针对可导电的金属或合金可以应用，而对于非导电材料却实现不了。
2.3 激光熔覆
激光熔覆又称激光熔敷，是近二十年来发展起来的一种只改变表面薄层的性质而不影响构件整体特性的方法。其具体定义是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的工艺方法。激光熔覆工艺方法有两种：预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。预置式激光熔覆是将先将粉末与粘接剂混合后事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描熔化，干燥后得到涂层。同步式激光熔覆是将熔覆材料在激光照射到基体的同时送粉，使供料和熔覆同时完成，冷却后得到熔覆层。二种方法不同但效果相似。激光熔覆技术工艺比较复杂既有物理的过程，又有化学冶金的过程，而且参数也较多。主要参数有激光功率、光斑直径、送粉速度、扫描速度、熔池温度等， 对熔覆件的质量影响很大，所以根据覆层的厚度、种类的不同需要，正确选择参数非常重要。同时，各参数之间也相互影响，必须选择适当的方法控制各种影响因素。当前激光熔覆应用在对材料的表面改性、快速原型制造和对关键零部件表面进行激光熔覆超耐磨抗蚀合金提高零部件的使用寿命，而在铝合金材料的表面改性技术上取得了很大的经济效益。
从20世纪80年代后期，国外的研究者们在激光熔覆技术方面的研究越来越多，在激光熔覆的工艺理论、熔覆层的组织性能及激光熔覆的自动化设备等方面都取得了很大的进展。在国内最早人们利用激光熔覆技术在活塞上熔覆复合涂层来提高活塞的硬度和耐磨性。随后这项技术的应用逐渐被推广，在选择涂层的材料的同时，人们开始注意到了稀土元素的特点，结合轻合金本身的优点，弥补了轻合金的缺点，尤其在铝合金方面的研究更为显著。如铝合金中铝基非晶合金于其具有低密度、高的延展性等优点，受到广泛的关注，利用激光熔覆技术可有效地提高铝合金表面的硬度和耐磨性。通过激光熔覆制备非晶涂层的研究也成为国内近年来学术界研究的热点。
3 总结
随着科学技术的不断发展，铝合金应用到了各行各业中，特别是在航空、航天、汽车交通运输、建筑、化工、生物医用等领域的应用日益广泛，对铝合金表面改性技术的要求也不断提高，改善铝合金表面功能的性能，使铝合金材料能在各种工作环境中使用，需要激光熔覆技术的进一步推广。今后除了在激光熔覆的基础理论研究外，还将在熔覆材料的设计与开发、激光熔覆设备的改进与研制、激光熔覆的快速成型技术、熔覆过程控制的自动化等几个方面继续发展，具有广阔的前景。
参考文献：
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项目名称：铝及铝合金制件表面稀土涂层制备，项目编号：EJY1404
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