蘭州理工大學馬穎教授團隊：不同復鹽電解液中NaVO3對鋁合金微弧氧化熱控膜層結構和性能影響的對比研究
2024-10-14 13:36:23
作者：表面云社區 來源：表面云社區
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鋁及其合金具有質輕、比強度高、熱導率高、導電性好、韌性好、易成形、機加工性能優異、耐腐蝕性好等特點，因此，在航天、航海、機械制造、汽車制造和化學工業等領域得到了普遍應用，在工業生產中的使用量僅僅略次于鋼。鋁合金的表面在自然條件下即可形成一層氧化膜，但該膜會使鋁合金失去光澤，且膜層疏松多孔，耐高溫和耐腐蝕的能力較差。微弧氧化（Micro-arc Oxidation，MAO）具有生產效率高、污染低、精度高的特點，它是從傳統的陽極氧化技術發展而來的，該技術可以在鋁、鎂、鈦等閥金屬表面原位生成氧化陶瓷膜。這層陶瓷膜具有與基體的結合力強、耐高溫、耐老化、耐磨、耐蝕等優點，已經成為鋁及其合金表面改性技術的研究熱點。
蘭州理工大學馬穎教授團隊采用比例分割分批試驗設計方法，分別在以Na2SiO3為主導的Na2SiO3-Na3PO4復鹽電解液和以Na3PO4為主導的Na3PO4-Na2SiO3復鹽電解液中加入相同濃度梯度的NaVO3，研究著色鹽NaVO3在不同復鹽體系下對微弧氧化膜層結構的影響，分析膜層的黑度、熱控性能、耐蝕性和結合力的變化，對比2種復鹽電解液中所獲微弧氧化膜層的優劣，為工業化應用積累提供有用的參考依據。
圖1為不同主鹽電解液中添加相同濃度梯度的NaVO3時，在A356鋁合金表面所制得微弧氧化樣品的宏觀形貌，表1映了不同膜層的黑度值以及成膜性的情況。從表1可以看出，2種主鹽的膜層黑度值變化趨勢相同，都呈現出先減小后增大的規律，這在圖1的宏觀形貌上也有直接的印證，出自兩體系的膜層顏色均先變深后變淺。Na2SiO3主鹽系電解液中所得膜層顏色最深的黑度值為23.41（S3試樣），Na3PO4主鹽系中膜層顏色最深的黑度值最小為20.31（P3試樣）。
當不同主鹽電解液中添加相同濃度梯度的NaVO3時，所制膜層的厚度和點滴檢測耐蝕性如圖2所示。可以看出，隨著NaVO3濃度的增加，2種主鹽下膜層的厚度均逐漸增大，點滴檢測得到的耐蝕性與膜厚的變化趨勢相同，這是因為在點滴實驗中，膜層在腐蝕液的侵蝕下呈現出以消耗型為主、滲透型為輔的腐蝕模式，腐蝕液中的HNO3會與膜層中的物質發生反應，逐步消耗膜層進而腐蝕基體。膜層被HNO3腐蝕介質消耗的時間越長，耐蝕性就越好，宏觀上表現為點滴腐蝕液存在區域完全變白的時間更長。而膜層的耐蝕性主要受膜層的厚度、元素及物相組成、緊實程度、表面的大孔及微裂紋等特征結構參量的共同影響。
Na2SiO3主鹽系電解液和Na3PO4主鹽系電解液中S3方案和P3方案試樣膜層的表面粗糙度形貌如圖3所示。對比S3和P3表面粗糙度三維形貌（圖3c和圖3d）可以看到，粗糙度較大的P3方案試樣表面具有比S3方案更多的凸起。而膜層的發射率與膜層的粗糙度以及膜厚相關聯，膜層粗糙度的增加可以提高膜層的比表面積，進而提高膜層反射外部輻射的能力，因此發射率也會提高。而由于微弧氧化膜層多孔的結構，當膜厚增加時，膜層中微孔的深度也會增加，同樣會使膜層的比表面積增大，進而提高膜層的發射率。
1）在Na2SiO3-Na3PO4和Na3PO4-Na2SiO3種復鹽電解液中加入相同濃度梯度的著色鹽NaVO3，膜層中新生成的釩氧化物是使膜層顯深色的重要原因。微弧氧化膜層的顏色均先加深后又逐漸變淺，從淺棕色向深棕色，再到黑色，最后向淺黑色過渡。當著色鹽NaVO3的質量濃度均為12.06 g/L時，Na2SiO3主鹽系和Na3PO4主鹽系電解液中所制備膜層的黑度值分別達到23.41、20.31，都是各自體系里膜層顏色最深的，且Na3PO4主鹽系電解液中制備的膜層顏色更深。當NaVO3質量濃度到達19.98 g/L時，燒蝕發生，無法形成完整膜層。2）在2種復鹽電解液中，取得最佳熱控性能的膜層也是各自體系中顏色最深、黑度值最小、厚度最大方案的膜層，此時NaVO3的質量濃度為12.06 g/L，其中，硅酸鹽主導電解液中所得膜層的吸收率和發射率分別為0.932、0.888，磷酸鈉主導電解液中所得膜層的吸收率和發射率則分別為0.934、0.841。所以，二者都應該屬于具有高吸收率、高發射率的熱控膜層。3）在2種復鹽體系中加入著色鹽后，在所獲得的微弧氧化膜層表面出現了自封孔現象，這對提高膜層耐蝕性很有利。在酸性腐蝕介質和中性氯離子腐蝕介質中，Na3PO4主鹽系電解液中所制得膜層的耐蝕性均優于Na2SiO3主鹽系的。在2種復鹽體系中，當添加的NaVO3質量濃度為12.06 g/L時，膜層的耐蝕性均最好。相較于未加著色鹽的空白組，其自腐蝕電流密度都降低了1個數量級，線性極化電阻都提高了至少1個數量級，自腐蝕電位都正移了0.2 V。在經歷了長達1365 h的中性鹽霧實驗后，在2種復鹽體系中含12.06 g/L NaVO3的膜層表面出現了極少量的腐蝕產物，且Na3PO4主鹽系膜層表面的腐蝕產物更少。4）比較2種主鹽下所制得膜層在熱震實驗中的表現，發現Na2SiO3主鹽系膜層的抗熱沖擊的能力要強于Na3PO4主鹽系的，各自體系里添加NaVO3質量濃度為12.06 g/L的膜層會早于NaVO3質量濃度為9.99 g/L的膜層剝落。但即使是處于劣勢的含12.06 g/L NaVO3的Na3PO4主鹽系的膜層，也可在高溫下經受住65次的熱沖擊。
該文章發表在《表面技術》第53卷第16期。
引文格式：安曉麗, 馬穎, 歐凱奇, 等. 不同復鹽電解液中NaVO3 對鋁合金微弧氧化熱控膜層結構和性能影響的對比研究[J]. 表面技術, 2024, 53(16): 103-115.
AN Xiaoli, MA Ying, OU Kaiqi, et al. Comparative Study on the Effect of NaVO3 on Microstructure and Properties of Thermal Control Coatings by Micro-arc Oxidation on Aluminum Alloys in Different Double Salt Electrolytes[J]. Surface Technology, 2024, 53(16): 103-115.
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