張紀磊，柴永生，劉存海，孫 超

（1.煙臺大學，山東 煙臺 264003；2.海軍航空大學，山東 煙臺 264001）

7075鋁合金因結(jié)構(gòu)緊密，具有較好的普通抗腐蝕性能和良好機械性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造和武器裝備等領(lǐng)域。通過對鋁合金進行微弧氧化處理，可以進一步提升材料的硬度等表面性能。另外，因其工藝簡單，無污染，所以該技術(shù)在鋁合金應(yīng)用領(lǐng)域也得到大規(guī)模推廣。

由于微弧氧化反應(yīng)機理非常復(fù)雜，氧化膜層生長速度受諸多因素影響，且目前尚無理論模型能定量分析各電參數(shù)對膜層硬度的影響，為此，本文將通過正交試驗，研究在正向電壓、占空比和脈沖頻率等電參數(shù)不同時，7075鋁合金表面生成微弧氧化膜層硬度的變化情況，進而分析電參數(shù)對微弧氧化膜層硬度的影響規(guī)律和影響程度，以期為微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供理論支撐。

1 試驗條件和方法

1.1 試驗條件

本研究使用濟南能華機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的NHSM800-5型開關(guān)直流雙脈沖電源作為微弧氧化電源，電源工作方式有恒壓和恒流2種方式，最大輸出功率5 kW。

由于本研究使用的是小型微弧氧化電源，電源功率相對較低，為降低試驗對電源功率的依賴，試驗中使用小尺寸電極和微小極間距，以減小反應(yīng)面積，提高相同電壓條件下的電流密度，陰極使用直徑16 mm的圓形網(wǎng)狀電極，材質(zhì)為304 不銹鋼，試驗極間距為2 mm。

電解液選擇硅酸鹽體系，使用NaF 作為添加劑，提高溶液的電導率。具體溶液配比為NaSiO（10 g/L）、NaOH（5 g/L）、NaF（2.5 g/L）。

1.2 試驗方案

為節(jié)省研究時間和精力，本章采用正交試驗法安排、分析多因素試驗，挑選適量的且具有代表性的因素（正向電壓、占空比、頻率等電參數(shù)），安排正交試驗，如表1所示。相對于全面試驗而言，正交試驗只是部分試驗，它可以用較少的試驗次數(shù)，來保證全面試驗在電參數(shù)影響規(guī)律方面的研究需求。為了節(jié)省研究時間，將所有正交試驗的反應(yīng)時間控制為300 s；為了減少試驗組數(shù)，非主要因素反向電壓和總占空比分別固定為200 V和50%。

表1 正交試驗電參數(shù)組合Tab.1 Combination of electrical parameters

為了確定正交試驗中正向電壓的選擇范圍，試驗前，先進行了恒流模式下的微弧氧化試驗，正反向電流均為1 A。在本研究中所使用的電源、電極和電解液條件下，正向電壓升高到525 V左右便不再增加，故正交試驗中，正向電壓選擇為300 V、400 V和500 V。

張欣盟通過研究不同占空比對陶瓷層截面的影響得出：在其他參數(shù)相同的條件下，正向占空比比較小時，獲得的微弧氧化陶瓷層比較致密，表面缺陷較少，即當正向占空比為25%時，微弧氧化陶瓷層的缺陷比較大。由于本研究中總占空比為50%，正向占空比25%時，反向占空比為25%，故正交試驗中反向占空比在25%附近選擇3 個參數(shù)，分別為10%、20%和30%。

鄭金杰研究了脈沖頻率對7075 鋁合金微弧氧化陶瓷膜層的影響，結(jié)果表明，當脈沖頻率為300 Hz時，膜層致密性最好，硬度最大。而且經(jīng)查閱相關(guān)論文發(fā)現(xiàn)，對7075鋁合金進行微弧氧化處理使用頻率多為300 Hz。故正交試驗中脈沖頻率在300 Hz 附近選擇3個參數(shù)，分別為200 Hz、250 Hz和300 Hz。

1.3 檢測方法

研究中，對膜層表面顯微硬度的測量，使用的是北京吉泰科儀檢測設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HV-1000 型維氏硬度計，如圖1 所示。該硬度計采用高倍率光學測量系統(tǒng)和光學雙通道結(jié)構(gòu)，物鏡有10倍和50倍2檔可選，目鏡放大倍數(shù)為10，總放大倍數(shù)可達400，最高測量分辨率可達0.5 μm。該型號硬度計硬度測試范圍為0～3 000 HV，且精度滿足GB/T 4340.2—2012。

圖1 HV-1000維氏硬度計Fig.1 JITAI661 Vickers hardness tester

進行硬度測量時，試驗力選擇1.96 N，試驗力保荷時間設(shè)定為15 s，分別在每個樣品表面選擇5 個不同位置，分別測量后求取的平均值，作為樣品最終的硬度值。試驗結(jié)果，如表2所示。

表2 正交試驗電參數(shù)對比試驗?zāi)颖砻嬗捕葴y量結(jié)果Tab.2 Results of film surface hardness in the electrical parameter comparison test 單位：HV

2 數(shù)據(jù)分析

通過極差分析法對結(jié)果進行分析，計算膜層硬度在同一電參數(shù)水平上的平均值、極差（最大值-最小值）和相對極差（極差/平均值）。通過相對極差分別表示各個參數(shù)對陶瓷膜層硬度的影響程度，相對極差越大，說明該參數(shù)對成膜厚度影響限度越大，即該電參數(shù)的變化將最大程度地影響膜層生長速度，若要提高膜層生長速度，則應(yīng)優(yōu)先考慮對該電參數(shù)進行優(yōu)化；通過不同電參數(shù)下膜層硬度平均值的變化，研究電參數(shù)對膜層硬度的影響規(guī)律，確定該電參數(shù)應(yīng)增大還是減小。

2.1 正向電壓對膜層硬度的影響

利用表2 的測量結(jié)果，針對正向電壓對樣品陶瓷膜層硬度影響進行極差分析，結(jié)果見表3。

表3 正向電壓對膜層硬度的影響Tab.3 Effect of positive voltage on film hardness

由表1～3可知：1～3號試驗中正向電壓相同，均為300 V，試驗樣品陶瓷膜層的硬度平均值248.1 HV；4～6號試驗中的正向電壓均為400 V，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為408.7 HV，相對300 V 時的試驗樣品，陶瓷膜層平均硬度增加了160.6 HV，增比達64.7%，正向電壓的增高促使膜層硬度增大，且變化明顯；7～9號試驗中正向電壓均為500 V，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為623.4 HV，增加了214.7 HV，增比52.5%，膜層硬度增幅仍然比較顯著。正向電壓對膜層硬度的影響，如圖2所示。

圖2 正向電壓對膜層硬度的影響Fig.2 Effect of positive voltage on film hardness

由圖2可以看出，在微弧氧化時間相同的情況下，微弧氧化反應(yīng)生成的陶瓷膜層硬度隨著正向電壓的升高持續(xù)增大，且正向電壓越高，硬度變化斜率越大。經(jīng)分析認為，這是由于正向電壓增高時，電流密度大，反應(yīng)中放電能量高，反應(yīng)更加劇烈，單位時間內(nèi)反應(yīng)放熱更多，反應(yīng)形成的等離子體溫度更高，在高溫等離子體作用下，會促使γ-AlO轉(zhuǎn)化為α-AlO，而α-AlO的增加會大幅度提高陶瓷膜層的硬度。

另外，由表3中的極差分析可知：正向電壓增加至500 V ，3 組試驗樣品的陶瓷膜層硬度極差為561.1 HV，相對極差達到最大0.90，樣品之間的差異更加明顯，這說明鋁合金微弧氧化試驗中，極間正向電壓越高，其他電參數(shù)對生成氧化陶瓷膜層硬度的影響就越大。

2.2 占空比對膜層硬度的影響

在試驗參數(shù)設(shè)置時，我們將總占空比固定在50%，反向占空比減小，則正向占空比增大（例如反向占空比為40%，則正向占空比為10%）為便于描述，下文將只用反向占空比區(qū)分不同組的試驗數(shù)據(jù)。

利用表2 的測量結(jié)果，對占空比相同的試驗所得陶瓷膜層進行硬度的平均值、極差和相對極差分析，結(jié)果如表4所示。

表4 反向占空比對膜層硬度的影響Tab.4 Effect of reverse duty cycle on film hardness

1 號、4 號和7 號試驗中占空比設(shè)置相同，反向占空比為40%，即正向占空比為10%，試驗樣品陶瓷膜層的硬度平均值261.2 HV；2號、5號和8號試驗中，反向占空比為30%，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為470.6 HV，相對反向占空比為40%的試驗樣品，陶瓷膜層平均硬度增加了209.4 HV，增比高達80.2%，反向占空比減小后，生成陶瓷膜層的硬度明顯增大；3號、6號和9號試驗中，反向占空比為20%，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為548.4 HV，陶瓷膜層硬度平均值增加了77.8 HV，增比16.5%，膜層硬度增幅不明顯。反向占空比對膜層硬度的影響，如圖3所示。

圖3 反向占空比對膜層硬度的影響Fig.3 Effect of reverse duty cycle on film hardness

圖3中，在微弧氧化時間相同的情況下，隨著反向占空比減小，生成的氧化陶瓷膜層硬度逐漸增加，但增速減緩。經(jīng)分析認為：可能是由于總占空比50%不變，反向占空比減小，正向電壓占空比增大，正向脈沖寬度變大，單脈沖放電時間增加，導致單脈沖放電能量大大增加，從而使微弧氧化成膜速率提高，單位時間內(nèi)生成的氧化陶瓷膜層增厚，硬度增大；另外，由于負脈沖過程中，析氧的還原反應(yīng)會在已經(jīng)生成的氧化陶瓷膜表面發(fā)生，使表面部分氧化陶瓷膜溶解，因此，反向占空比越大，陶瓷膜層溶解越嚴重，從而在一定程度降低了氧化陶瓷膜厚度，造成硬度降低。

另外，由表4 中的極差分析可知：反向占空比為40%時，3 組試驗樣品陶瓷膜層的硬度相對極差為0.28，此時膜層硬度較低，相對變化也不大，受其他參數(shù)影響較??；反向占空比為30%和20%時，3組試驗樣品的膜層硬度相對極差分別為1.02 和1.05，相對極差非常大，說明在這2種占空比參數(shù)下，其他電參數(shù)對試驗樣品陶瓷膜層硬度的影響顯著增大。

2.3 脈沖頻率對膜層硬度的影響

利用表2 的測量結(jié)果，對于脈沖頻率相同的試驗的陶瓷膜層進行硬度的平均值、極差和相對極差的計算，結(jié)果如表5所示。

表5 脈沖頻率對膜層硬度的影響Tab.5 Effect of pulse frequency on film hardness

表5 中，頻率為200 Hz 時，試驗樣品陶瓷膜層的硬度平均值為492.4 HV。2 號、4 號和9 號試驗中，頻率設(shè)置為250 Hz，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為463.2 HV，相對頻率為200 Hz 的試驗樣品，陶瓷膜層平均硬度減小了29.2 HV（5.9%）；3號、5號和7號試驗中，頻率設(shè)置為300 Hz，生成樣品的陶瓷膜層硬度平均值為324.5 HV，陶瓷膜層硬度平均值減小了138.7 HV（29.9%）。

膜層硬度隨脈沖頻率的變化曲線，如圖4 所示。在微弧氧化時間相同的情況下，隨著試驗脈沖頻率的增大，生成樣品的陶瓷膜層硬度逐漸減小。頻率越大，圖像斜率越大，減小幅度越大。經(jīng)分析認為，可能與生成AlO的不同晶態(tài)有關(guān)。當脈沖頻率較大時，單次脈沖周期短，氧化陶瓷膜表面單次放電時間短，能量低，使得反應(yīng)溫度不夠高，這樣不利于γ-AlO轉(zhuǎn)化為α-AlO，生成陶瓷膜層中α-AlO的速度減少，由于α-AlO的含量會大幅度提高陶瓷膜層的硬度，從而出現(xiàn)以上結(jié)果。

圖4 脈沖頻率對膜層硬度的影響Fig.4 Effect of pulse frequency on film hardness

由表5 中的極差分析可知：脈沖頻率為200 Hz時，3組試驗樣品陶瓷膜層的硬度極差為525.6 HV，相對極差1.07，此時膜層硬度平均值最大，但相對變化也較大，說明受其他參數(shù)影響較大；脈沖頻率為250 Hz時，3組試驗樣品的膜層硬度極差為588.4 HV，相對極差1.27，雖然平均硬度只有小幅降低，但相對極差卻非常大，其他電參數(shù)對該頻率下試驗樣品陶瓷膜層硬度的影響顯著增大；脈沖頻率為300 Hz 時，生成樣品的陶瓷膜層硬度極差為141.9 HV，相對極差0.44，雖然平均硬度最小，但相對極差也最小，該頻率下膜層硬度不易受其他電參數(shù)影響。由于前2組數(shù)據(jù)反映出的相對極差都較大，若選擇這2個頻率進行試驗，應(yīng)著重考慮其他電參數(shù)對膜層硬度的影響程度。

2.4 電參數(shù)對膜層硬度影響程度分析

為了進一步分析各電參數(shù)對膜層硬度的影響程度，確定影響陶瓷膜層硬度的各個因素的主次，利用表3的數(shù)據(jù)，可計算不同正向電壓時，膜層硬度的極差為375.3 HV，相對極差為0.88，用表示。同理，根據(jù)表4和表5的數(shù)據(jù)：計算反向占空比不同時，膜層硬度平均值的相對極差為0.67，用表示；脈沖頻率不同時，膜層硬度平均值的相對極差為0.39，用表示。相對極差由大到小排列為＞＞，即3個因素中，極間正向電壓的影響程度最大，其次是反向占空比，脈沖頻率影響最小。

3 結(jié)論

本文通過正交試驗，研究了正向電壓、占空比和脈沖頻率對鋁合金微弧氧化膜層硬度的影響。通過對單一水平因素下膜層硬度平均值分析發(fā)現(xiàn)：鋁合金微弧氧化陶瓷膜層硬度會隨著兩極間正向電壓的增大而增大；隨反向占空比的減小而增大；隨著脈沖頻率增大而減小?？梢酝ㄟ^增大正向電壓，減小反向占空比，增大正向占空比，減小脈沖頻率的方法，提高微弧氧化膜層的硬度。因此，針對本研究所用設(shè)備和試驗條件，提高7075鋁合金微弧氧化膜層硬度的最佳電參數(shù)方案應(yīng)為：正向電壓500 V，反向占空比20%，脈沖頻率200 Hz。

通過對相對極差的分析發(fā)現(xiàn)，對氧化膜硬度影響程度最大的是正向電壓，影響程度最小的是脈沖頻率。因此，在對7075 鋁合金進行微弧氧化處理時：若需重點增大氧化膜硬度，則應(yīng)優(yōu)先考慮增大正向電壓；若在保證氧化膜硬度的同時還需兼顧其他表面性能，則應(yīng)優(yōu)先考慮對膜層硬度影響最小的脈沖頻率進行調(diào)整。