兰州理工大学马颖教授团队：不同复盐电解液中NaVO3对铝合金微弧氧化热控膜层结构和性能影响的对比研究
2024-10-14 13:36:23
作者：表面云社区 来源：表面云社区
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铝及其合金具有质轻、比强度高、热导率高、导电性好、韧性好、易成形、机加工性能优异、耐腐蚀性好等特点，因此，在航天、航海、机械制造、汽车制造和化学工业等领域得到了普遍应用，在工业生产中的使用量仅仅略次于钢。铝合金的表面在自然条件下即可形成一层氧化膜，但该膜会使铝合金失去光泽，且膜层疏松多孔，耐高温和耐腐蚀的能力较差。微弧氧化（Micro-arc Oxidation，MAO）具有生产效率高、污染低、精度高的特点，它是从传统的阳极氧化技术发展而来的，该技术可以在铝、镁、钛等阀金属表面原位生成氧化陶瓷膜。这层陶瓷膜具有与基体的结合力强、耐高温、耐老化、耐磨、耐蚀等优点，已经成为铝及其合金表面改性技术的研究热点。
兰州理工大学马颖教授团队采用比例分割分批试验设计方法，分别在以Na2SiO3为主导的Na2SiO3-Na3PO4复盐电解液和以Na3PO4为主导的Na3PO4-Na2SiO3复盐电解液中加入相同浓度梯度的NaVO3，研究着色盐NaVO3在不同复盐体系下对微弧氧化膜层结构的影响，分析膜层的黑度、热控性能、耐蚀性和结合力的变化，对比2种复盐电解液中所获微弧氧化膜层的优劣，为工业化应用积累提供有用的参考依据。
图1为不同主盐电解液中添加相同浓度梯度的NaVO3时，在A356铝合金表面所制得微弧氧化样品的宏观形貌，表1映了不同膜层的黑度值以及成膜性的情况。从表1可以看出，2种主盐的膜层黑度值变化趋势相同，都呈现出先减小后增大的规律，这在图1的宏观形貌上也有直接的印证，出自两体系的膜层颜色均先变深后变浅。Na2SiO3主盐系电解液中所得膜层颜色最深的黑度值为23.41（S3试样），Na3PO4主盐系中膜层颜色最深的黑度值最小为20.31（P3试样）。
当不同主盐电解液中添加相同浓度梯度的NaVO3时，所制膜层的厚度和点滴检测耐蚀性如图2所示。可以看出，随着NaVO3浓度的增加，2种主盐下膜层的厚度均逐渐增大，点滴检测得到的耐蚀性与膜厚的变化趋势相同，这是因为在点滴实验中，膜层在腐蚀液的侵蚀下呈现出以消耗型为主、渗透型为辅的腐蚀模式，腐蚀液中的HNO3会与膜层中的物质发生反应，逐步消耗膜层进而腐蚀基体。膜层被HNO3腐蚀介质消耗的时间越长，耐蚀性就越好，宏观上表现为点滴腐蚀液存在区域完全变白的时间更长。而膜层的耐蚀性主要受膜层的厚度、元素及物相组成、紧实程度、表面的大孔及微裂纹等特征结构参量的共同影响。
Na2SiO3主盐系电解液和Na3PO4主盐系电解液中S3方案和P3方案试样膜层的表面粗糙度形貌如图3所示。对比S3和P3表面粗糙度三维形貌（图3c和图3d）可以看到，粗糙度较大的P3方案试样表面具有比S3方案更多的凸起。而膜层的发射率与膜层的粗糙度以及膜厚相关联，膜层粗糙度的增加可以提高膜层的比表面积，进而提高膜层反射外部辐射的能力，因此发射率也会提高。而由于微弧氧化膜层多孔的结构，当膜厚增加时，膜层中微孔的深度也会增加，同样会使膜层的比表面积增大，进而提高膜层的发射率。
1）在Na2SiO3-Na3PO4和Na3PO4-Na2SiO3种复盐电解液中加入相同浓度梯度的着色盐NaVO3，膜层中新生成的钒氧化物是使膜层显深色的重要原因。微弧氧化膜层的颜色均先加深后又逐渐变浅，从浅棕色向深棕色，再到黑色，最后向浅黑色过渡。当着色盐NaVO3的质量浓度均为12.06 g/L时，Na2SiO3主盐系和Na3PO4主盐系电解液中所制备膜层的黑度值分别达到23.41、20.31，都是各自体系里膜层颜色最深的，且Na3PO4主盐系电解液中制备的膜层颜色更深。当NaVO3质量浓度到达19.98 g/L时，烧蚀发生，无法形成完整膜层。2）在2种复盐电解液中，取得最佳热控性能的膜层也是各自体系中颜色最深、黑度值最小、厚度最大方案的膜层，此时NaVO3的质量浓度为12.06 g/L，其中，硅酸盐主导电解液中所得膜层的吸收率和发射率分别为0.932、0.888，磷酸钠主导电解液中所得膜层的吸收率和发射率则分别为0.934、0.841。所以，二者都应该属于具有高吸收率、高发射率的热控膜层。3）在2种复盐体系中加入着色盐后，在所获得的微弧氧化膜层表面出现了自封孔现象，这对提高膜层耐蚀性很有利。在酸性腐蚀介质和中性氯离子腐蚀介质中，Na3PO4主盐系电解液中所制得膜层的耐蚀性均优于Na2SiO3主盐系的。在2种复盐体系中，当添加的NaVO3质量浓度为12.06 g/L时，膜层的耐蚀性均最好。相较于未加着色盐的空白组，其自腐蚀电流密度都降低了1个数量级，线性极化电阻都提高了至少1个数量级，自腐蚀电位都正移了0.2 V。在经历了长达1365 h的中性盐雾实验后，在2种复盐体系中含12.06 g/L NaVO3的膜层表面出现了极少量的腐蚀产物，且Na3PO4主盐系膜层表面的腐蚀产物更少。4）比较2种主盐下所制得膜层在热震实验中的表现，发现Na2SiO3主盐系膜层的抗热冲击的能力要强于Na3PO4主盐系的，各自体系里添加NaVO3质量浓度为12.06 g/L的膜层会早于NaVO3质量浓度为9.99 g/L的膜层剥落。但即使是处于劣势的含12.06 g/L NaVO3的Na3PO4主盐系的膜层，也可在高温下经受住65次的热冲击。
该文章发表在《表面技术》第53卷第16期。
引文格式：安晓丽, 马颖, 欧凯奇, 等. 不同复盐电解液中NaVO3 对铝合金微弧氧化热控膜层结构和性能影响的对比研究[J]. 表面技术, 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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