固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

    微弧氧化技术由于具有工艺简单、处理效率高以及对环境污染小等优势，目前已经越来越广泛地应用于铝、钛合金的表面处理。然而随着工业技术的发展，铝、钛合金零部件的应用环境将变得越来越苛刻，从而对其微弧氧化膜的各种性能提出了更高的要求。

    值得关注的是，微弧氧化膜的性能与其生长机制密切相关。因此，研究影响微弧氧化膜生长机制的内在因素，并探讨膜层生长机制与性能的相关性，可为进一步提高膜层的性能提供一定的理论基础。本论文研究了电解液和负电压对微弧氧化膜生长机制的影响，并根据所得规律设计制备了一些高性能的膜层。文中的主要研究结果列举如下：

    1.电解液是影响微弧氧化膜生长机制的关键因素之一。使用硅酸盐电解液时，在钛合金微弧氧化过程中很容易导致来自于电解液的硅酸盐氧化物的迅速沉积。因此，微弧氧化膜具有较高的生长速率，并且几乎都表现为向外生长。微弧氧化过程中来自于电解液的化合物的沉积增多导致膜层的结构疏松、表面粗糙度增大以及结合力下降等，但是硅酸盐氧化物在膜层中的沉积有利于提高其耐磨性能。使用磷酸盐电解液时，在钛合金微弧氧化过程中更有利于底材的氧化，从而导致膜层的向内生长部分增多，这有利于提高膜层的致密性和结合力，但是膜层的生长速率较低，并且以氧化钛为主要成分的微弧氧化膜耐磨性能很差。研究表明，使用硅酸盐和磷酸盐的混合电解液是一种可行的优化方案。

    2.负电压是影响微弧氧化膜生长机制的另一个重要因素。在铝合金微弧氧化过程中，升高负电压促进了铝合金底材的氧化，从而使微弧氧化膜获得更致密的结构和更多的Al₂O₃相。Al₂O₃是高耐磨的陶瓷相，膜层中耐磨相的增多和致密性的改善都有利于提高其耐磨性能。因此，铝合金微弧氧化膜的耐磨性能随负电压的升高而增强。在钛合金微弧氧化过程中，升高负电压同样促进了钛合金底材的氧化，从而使微弧氧化膜获得了更致密的结构和更多的TiO₂相。然而，从一方面来说，TiO₂自身的耐磨性能较差，膜层中TiO₂相的增多并不利于获得较好的耐磨性能；而从另一方面来说，膜层致密性的改善却对提高其耐磨性能有利。因此，钛合金微弧氧化膜的耐磨性能与负电压之间的关系更加复杂。在厚度相同的条件下，钛合金微弧氧化膜的耐磨损寿命与负电压之间没有明显的规律可循；而在表面粗糙度相近的条件下，随着负电压的升高，所得钛合金微弧氧化膜的磨损率增大。

    3.微弧氧化膜的抗热震性能主要取决于膜层与底材之间的结合力，而膜层的结合力与其生长机制密切相关，通常膜层的向内生长越多其结合力越好。优化电解液是调控膜层的生长机制，从而提高膜层结合力的一种可行的有效途径。本论文采用了硅酸盐和磷酸盐的混合电解液，并通过优化其成分的相对含量，最终在含0.01 mol/L的硅酸盐和0.05 mol/L的磷酸盐混合电解液中制备得到了厚度约50 μm并且具有高抗热震性能的钛合金微弧氧化膜。

    4.铝合金微弧氧化膜的颜色通常受底材自身成分的影响很大，因而导致其太阳光反射率较低。因此，要想获得白度较高的膜层，在微弧氧化过程中就应当尽量减少底材的氧化。本论文在铝合金微弧氧化过程中使用了高浓度的锆酸盐电解液，从而实现了含Zr化合物在膜层中的迅速沉积，并大幅度地提高了膜层的生长速率。这种生长机制在很大程度上弱化了底材的氧化对膜层生长的作用，并最终获得了以含Zr化合物为主要成分并且具有高太阳光反射率的白色微弧氧化陶瓷膜。这部分研究结果可应用于铝合金航天热控涂层。