通过等离子体电解氧化法在铝合金管内表面形成均匀的氧化铝涂层，以提高其机械性能和抗腐蚀性

等离子电解氧化技术在铝合金管内壁成功制备均匀致密氧化铝涂层，其硬度达8.0 GPa，介电强度超60 kV/mm，显著抑制点蚀和应力腐蚀开裂，提升耐氯腐蚀性能。

　　

Yee Ng|Xian Yi Tan|Tzee Luai Meng|Anna Marie Yong|Hongfei Liu

新加坡科技研究局（A*STAR）材料研究与工程研究所（IMRE），2 Fusionopolis Way，新加坡，138634

摘要

金属管内表面的防护涂层对于航空航天、汽车、海洋和能源应用至关重要，但由于难以接触这些表面，因此仍是一个重大挑战。本文展示了使用等离子体电解氧化（PEO）技术在Al-6061合金管（直径20毫米，长度200毫米）内壁成功制备致密、均匀的氧化铝涂层的方法。通过X射线衍射确认，这些涂层主要由γ-Al₂O₃相组成，含有少量α-Al₂O₃杂质。截面纳米压痕实验显示涂层硬度约为8.0吉帕（GPa），是基材硬度的五倍；介电击穿强度超过60千伏/毫米（kV/mm）。在3.5%氯化钠（NaCl）溶液中进行的电化学测试表明，涂层使腐蚀电流从0.77微安（μA）降低到0.04微安，并显著提高了抗点蚀能力。微观结构分析发现，未经涂层的管材会出现点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀裂纹，而PEO涂层通过减缓电解质渗透和减轻残余应力抑制了这些腐蚀现象。这些发现表明PEO技术是制备坚固内表面陶瓷涂层的有效方法，能够提高管状铝部件在苛刻环境中的可靠性。

引言

铝合金因其优异的强度重量比、易于加工和良好的导热性能，在航空航天、汽车、海洋和能源相关行业中得到广泛应用。其中，Al-6061合金因其平衡的机械性能和加工性能而成为最常用的结构金属合金之一。然而，与其他许多铝合金一样，Al-6061也存在一些固有缺陷，如硬度较低、耐磨性较差以及在含氯环境中容易发生局部腐蚀（如点蚀）[1]、[2]、[3]、[4]。这些缺点严重限制了其在恶劣工况下的长期可靠性，尤其是在那些处于腐蚀性环境中的管状部件中。为克服这些缺陷，人们探索了多种表面工程技术，包括阳极氧化、热喷涂、溶胶-凝胶涂层和化学转化处理[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。其中，等离子体电解氧化（PEO），也称为微弧氧化，作为一种在铝、镁和钛等阀门金属上形成陶瓷氧化膜的方法，受到了广泛关注[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。PEO工艺是在高阳极电位下在水性电解液中产生微放电，从而诱导氧化膜的局部熔化和快速固化。因此，PEO涂层通常具有较高的厚度、较好的致密性、优异的附着力和化学稳定性。由PEO制备的氧化铝涂层因其高硬度、耐磨性和优异的介电性能而特别受欢迎[6]、[10]、[13]、[15]、[16]。过去二十年里，大量研究致力于通过调整电解液成分、电流波形和工艺参数来优化铝合金上的PEO涂层[10]。许多研究表明，与裸露基材相比，PEO涂层在含氯环境中的耐腐蚀性得到提升，摩擦学性能得到改善，介电性能也更优[17]、[18]、[19]、[20]。然而，大多数研究集中在平板或大型部件的外表面，主要是因为这些几何形状更便于产生等离子体放电和实现均匀涂层[21]、[22]、[23]。相比之下，内部表面的防护涂层（尤其是窄铝管的内壁）的制备却鲜有关注，因为物理气相沉积（PVD）等涂层技术无法直接应用于这些表面[24]、[25]、[26]。针对平板样品开发的PEO工艺参数通常不适用于管状结构的内表面涂层，尤其是狭窄且长的管材，因为存在配置限制[11]、[12]。这些限制包括阳极与阴极之间的距离（即R值）[10]、[13]，以及提供所需电流和波形的功率限制（例如，在降低R值时电流峰值受到限制）。将PEO工艺从平板样品应用到管状结构内表面是一个关键挑战，因为管状部件在多种应用中起着重要作用，如热交换器、燃油管路、液压系统、空心涡轮叶片[27]、[28]、[29]和化学反应器等，其内表面直接暴露在腐蚀性气体或液体环境中。能够在这些内表面均匀涂覆PEO涂层将大大延长铝合金管的使用寿命，并拓宽该技术的工业应用范围[30]、[31]、[32]。以往在管状几何形状内壁涂层的尝试常常遇到放电分布不均匀、难以控制涂层厚度以及难以实现大规模生产等问题[11]、[30]、[32]、[33]、[34]。在本研究中，我们展示了使用PEO在Al-6061合金管内壁制备均匀氧化铝涂层的方法。系统地分析了涂层的厚度、相组成和微观结构特征，并通过截面纳米压痕测试评估了其机械性能。此外，还进行了介电击穿测试以评估涂层的绝缘能力，并通过电位动力学极化测试考察了其在含氯电解质中的耐腐蚀性。结果表明，氧化铝涂层的硬度、介电强度和耐腐蚀性均显著优于未涂层基材。这些发现为将PEO技术应用于复杂内部几何形状提供了重要启示。据我们所知，这是首次在Al-6061管内壁成功制备出具有优异介电击穿强度和耐腐蚀性的均匀PEO涂层，这些涂层在航空航天/海洋热交换器、液压管路和气体阻隔导管等高要求工程应用中具有潜在价值。

章节摘录

Al-6061管材、电解液和PEO工艺

本研究使用了内径为20毫米、长度为200毫米的商用Al-6061管材。元素分析显示，Al-6061管材的成分分别为98.1%的铝（Al）、1.2%的镁（Mg）和0.7%的硅（Si）。在PEO处理之前，管材依次用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水进行5分钟的超声清洗。本研究中使用的电解液与先前报道的类似[13]，即Na₂SiO₃

PEO涂层的形貌和微观结构

图2(a)和(b)分别展示了低倍率和高倍率下的SEM图像。图2(a)中的低倍率SEM图像显示了典型的PEO涂层，具有均匀的表面形貌；图2(b)中的高倍率SEM图像显示了由微弧放电通道熔化及材料析出形成的孔结构，孔径小于10微米；图中还可见一些微裂纹

结论

总之，我们在Al-6061合金管内壁成功制备了厚度约为10微米的均匀氧化铝涂层。光学显微镜和电子显微镜观察证实，该涂层致密、贴合良好，无宏观裂纹或分层现象。XRD分析表明，涂层主要由γ-Al₂O₃组成，含有少量α-Al₂O₃，这与处理过程中的受控等离子体条件和电解液温度一致。纳米压痕测量结果进一步证实了这一点

作者贡献声明

Yee Ng：撰写、审稿与编辑、方法学研究、数据分析。Xian Yi Tan：撰写、审稿与编辑、数据分析。Tzee Luai Meng：撰写、审稿与编辑、研究工作。Anna Marie Yong：撰写、审稿与编辑、研究工作。Hongfei Liu：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、项目监督、资源管理、方法学研究、资金申请、数据分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明不存在与本研究发表相关的利益冲突。