5B70铝合金经微弧氧化处理后的微观结构演变及其力学性能

微弧氧化陶瓷薄膜的结构异质性及其对机械性能的影响研究表明，以5B70铝合金为基材时，放电孔边缘过渡区因高温放电形成非晶/亚晶结构并伴随ZrO?粒子沉淀和缺陷，而孔间陶瓷区则呈现细密晶粒和大量Al?(Sc,Zr)纳米强化相。纳米压痕显示孔间区域硬度（25.8 GPa）和弹性模量（438 GPa）显著高于边缘区（18.2 GPa，326 GPa），且边缘区因微裂纹和粗大粒子导致应力集中，韧性降低。研究揭示了放电行为与强化相演化的协同机制，为优化MAO工艺提供理论支撑。

　　

吴明进|王立新|谢瑶|韩超宇|任立斌|朱萍|邓春音|陈忠兵|吴淑慧|卢莉|杨佳

CGN智能制造技术（苏州）有限公司，中国江苏省苏州市，215129

摘要

本研究聚焦于微弧氧化（MAO）过程中形成的陶瓷膜的结构异质性及其对机械性能的影响。以5B70铝合金为基底，系统地比较了放电孔周围的边缘过渡区与孔隙间的陶瓷区域之间的微观结构特征和机械性能。结果表明，受局部高温放电影响的边缘过渡区呈现出非晶态/亚晶态结构，并伴有ZrO₂颗粒的沉淀和结构缺陷。相比之下，孔隙间的陶瓷区域具有细小且致密的晶粒，以及高密度的Al₃Sc纳米颗粒。纳米压痕测试显示，孔隙间的陶瓷区域具有更高的硬度和弹性模量，而边缘过渡区由于微裂纹和粗颗粒引起的应力集中，导致局部断裂韧性降低。本研究阐明了强化相演变与放电行为之间的耦合机制，为优化MAO工艺和提高陶瓷膜的整体性能提供了理论指导。

引言

微弧氧化（MAO）是一种常用于铝合金和其他轻金属的表面改性技术。通过施加高压交流或直流电场，在金属表面产生瞬时微弧放电，从而在基底上原位形成陶瓷膜[1,2]。与传统阳极氧化相比，MAO涂层具有更高的硬度、更好的耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性，因此在航空航天、汽车、电子和化工等行业得到广泛应用[3,4]。MAO技术能够在金属表面形成致密的氧化层，并通过高温放电原位诱导陶瓷相的生长，从而显著提高基材与涂层之间的附着力，进而显著提升材料的整体性能[5]。

然而，MAO陶瓷膜的结构并不均匀致密。其表面和截面常常存在大量孔隙、裂纹以及由于放电过程中的瞬态高温导致的成分或结构不均匀性[6,7]。特别是放电孔的边缘，由于局部温度和能量输入最高，容易形成非晶态或亚晶态结构，积累残余应力，并发生强化相的熔化或迁移。这些现象导致结构疏松且缺陷密度较高[8]。相比之下，放电孔之间的陶瓷区域距离放电核心较远，形成条件更为稳定，有利于形成致密的晶体结构并沉淀纳米级强化相，从而表现出更优异的机械性能[9,10]。这种微观区域的异质性是MAO陶瓷膜的关键特征，也决定了其局部机械性能。

5B70铝合金含有Sc和Zr元素，具有优异的焊接性、热稳定性和机械性能，广泛应用于航空航天结构部件[11]。其微观结构中分散着Al₃(Sc,Zr)纳米沉淀物，通过抑制再结晶和稳定亚结构显著提高了合金的强度和耐热性[12]。此外，由于这些纳米颗粒的热稳定性和良好的热物理性能，它们在MAO陶瓷膜的形成过程中可能起着关键作用[13]。尽管先前的研究已经探讨了这些颗粒在合金基体中的沉淀行为，但它们在MAO过程中的演变机制仍不够明确。MAO过程中高压放电产生的瞬态高温和高压环境可能导致金属表面的微观结构重构，引起强化相的溶解、迁移或再生。特别是对于纳米级的Al₃(Sc,Zr)颗粒，其高比表面积和反应性可能导致放电过程中的独特转变行为[14]。例如，在边缘过渡区，颗粒可能会富集或部分熔化；而在孔隙间区域，它们则以均匀分布的纳米级强化相形式沉淀[15]。这些演变行为不仅影响颗粒本身的稳定性，还通过调节晶粒尺寸、界面结合和涂层内的应力分布，显著影响局部硬度、弹性模量和裂纹扩展[2,16]。因此，系统研究微观区域的结构-性能关系对于理解MAO陶瓷膜的形成机制和优化工艺参数至关重要。

因此，本研究系统比较了边缘过渡区和孔隙间陶瓷区域的微观结构特征及局部机械性能。通过采用微观结构表征、XPS化学状态分析和纳米压痕测试等技术，阐明了基体强化相演变、局部放电行为与微观区域涂层性能之间的耦合机制，为深入理解MAO陶瓷膜的形成机制和性能调控提供了科学依据。

实验部分

实验使用了尺寸为20毫米×20毫米×3毫米的冷轧5B70铝合金板材作为阳极材料。钻孔后，样品用铝线连接。不锈钢板作为阴极。MAO处理前，样品先用400#至1200#砂纸打磨，然后抛光，用去离子水和无水乙醇清洗，最后用热风干燥。MAO过程在恒电流模式下进行，电流为2.0安培，持续时间为15分钟。

成分分析

为了分析MAO陶瓷膜的相组成，对涂层进行了XRD分析（图1）。如图所示，除了典型的γ-Al₂O₃和α-Al₂O₃衍射峰外，还清晰观察到与ZrO₂相对应的特征峰，主要为单斜相ZrO₂（m-ZrO₂）。这表明Zr在MAO过程中发生了氧化，形成了稳定的ZrO₂陶瓷颗粒。同时，部分Al₃(Sc,Zr)颗粒也发生了变化

结论

本研究分析了5B70铝合金经MAO处理后放电孔边缘过渡区与孔隙间陶瓷区域之间的微观结构特征及相应的机械性能差异。通过结合先进的表征技术，阐明了陶瓷膜不同区域的结构演变机制及其对性能的影响。主要结论如下：

(1)

放电孔边缘

作者贡献声明

吴明进：撰写——原始草案。王立新：数据整理。谢瑶：数据整理。韩超宇：实验研究。任立斌：数据整理。朱萍：正式分析。邓春音：方法学研究。陈忠兵：数据整理。吴淑慧：资源协调。卢莉：资源协调。杨佳：资源协调。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。