潜在模式对2024铝合金薄板上Al?O?涂层结构与性能的影响

Al?O?涂层在2024铝合金薄片上通过恒压与阶梯电位阳极氧化制备，对比发现阶梯电位（30V）工艺涂层更致密（38.79nm），硬度达325HV，腐蚀电位-0.641V，磨损体积最小（0.089mm3），且机械性能保留更优。

　　

杨建军|兰宇浩|范彩荷|刘丹阳|杨帆|林莉|胡泽毅|欧玲|胡勋普|陶涛|张在奇|张在宇

湖南工业大学材料科学与工程学院，中国株洲412007

摘要

为了提高2024铝合金薄片的表面性能，采用恒定电位和阶梯电位阳极氧化法制备了Al₂O₃涂层。在阶梯电位模式下，电压依次从14 V升高到22 V、26 V、30 V和34 V，每个中间电位保持10分钟。最后一个电位步骤持续时间延长，以确保总阳极氧化时间为60分钟。同时，也采用了恒定电位（22 V、26 V、30 V和34 V）进行对比实验。从微观结构、硬度、电化学响应、摩擦行为和拉伸性能等方面对涂层进行了全面表征。在恒定电位下，涂层出现微裂纹，30 V时的最大阻挡层厚度为35.85 nm，对应硬度为295 HV。相比之下，30 V下阶梯电位形成的涂层结构更致密，阻挡层厚度为38.79 nm，硬度为325 HV。在所有条件下，30 V阶梯电位下的涂层具有最佳的耐腐蚀性：腐蚀电位（Ecorr）为-0.641 V，腐蚀电流密度（Icorr）为1.219 μA·cm?2，磨损体积为0.089 mm3。拉伸测试表明，Al₂O₃涂层降低了基材的拉伸强度和延伸率，其中阶梯电位下的降低程度较小。具体来说，在30 V时，拉伸强度降低了46.9 MPa，延伸率降低了0.06%。这些结果表明，30 V阶梯电位阳极氧化法能够形成更致密的Al₂O₃涂层，同时提高耐腐蚀性和耐磨性，并较好地保持了基材的机械性能。

引言

近年来，表面工程作为延长高强度铝合金使用寿命的有效手段，受到了越来越多的关注。2024铝合金因其优异的疲劳抗性、良好的成形性和优良的热处理性能，在航空航天、国防和运输领域得到广泛应用。然而，其相对较差的耐腐蚀性和耐磨性仍然是限制其在恶劣或苛刻环境中的应用的关键因素[1]、[2]。虽然铝表面会自然形成氧化膜，但该膜通常较薄、形态不均匀且不够致密，因此在潮湿、热循环或机械应力作用下容易降解[3]、[4]。为了克服这些限制，阶梯电位模式作为一种有效策略，用于调控阳极氧化膜的微观结构。通过逐步增加阳极氧化过程中的电位，可以减少局部电场强度，调控孔隙形成行为，并促进形成更致密、更均匀的氧化层，优于传统的恒定电位模式。多项研究表明，阶梯电位控制有助于减少孔隙缺陷、提高涂层致密性和耐腐蚀性[5]、[6]。

Al₂O₃涂层的结构完整性和保护性能对处理参数（如处理时间、电解液温度、电解液浓度和电位制度）非常敏感。近期研究还探讨了氧化铝涂层在复杂电化学和机械环境下的降解和失效现象。Yang等人[7]分析了铝合金涂层中的腐蚀诱导失效，Proriol-Serre和Vogt[8]报道了液态金属环境中Al₂O₃层的机械降解，强调了生长动力学与结构稳定性之间的权衡。Alizadeh等人[9]研究了电沉积陶瓷增强金属复合涂层，发现共沉积参数显著影响涂层微观结构。Zhu等人[10]进一步证明Al₂O₃涂层厚度的变化显著影响铝基复合材料的微观结构和机械性能。Gu等人[11]采用电解等离子体法制备了Al₂O₃陶瓷涂层，并观察到了该方法特有的结构特征。

关于电位的影响，Wang等人[12]报道了7N01合金在高电位下的严重结构降解，Huang和Li[13]证明优化的Al₂O₃/WC-Co复合涂层能有效减轻磨损相关失效，而Li等人[14]发现高电位和超高压下制备的纳米多孔氧化层机械稳定性较差。在先进应用领域，Yin等人[15]实现了具有高吸收效率和损伤阈值的惯性约束聚变靶功能梯度涂层，体现了对阳极氧化结构的高性能要求。Mykola等人[16]开发了用于热电能量转换器的阳极氧化铝基材，展示了阳极设计的可调性。这些结果共同表明，电位调制显著影响涂层性能，包括孔隙率、残余应力和机械性能。基于这些发现，Bononi等人[17]表明脉冲电流制度下的电位控制能够形成更致密、更均匀的涂层，降低孔隙率和微裂纹；Huang等人[18]报告称阶梯电位制度可抑制孔隙形成并提高涂层致密性。

尽管取得了这些进展，现有研究仍存在一些关键局限性。许多研究在固定电位模式的同时改变电解液温度或浓度，或仅关注电化学指标而未同时评估机械性能的保持情况。因此，电位制度对阻挡层形成和缺陷演变的直接影响尚未在统一框架内得到明确阐述。此外，现有研究主要集中在6xxx和7xxx系列铝合金上，而对2xxx系列铝合金（尤其是2024铝合金薄片）的系统研究较少。

值得注意的是，Yang等人[4]也报道了2024铝合金的阶梯电位模式，但该研究主要关注腐蚀行为和整体涂层的形态。相比之下，本研究探讨了2024铝合金薄片上的Al₂O₃涂层，并在相同处理条件下直接比较了恒定电位和阶梯电位模式的差异，特别关注了阻挡层特性、缺陷演变和机械性能的保持情况。

本研究旨在阐明恒定电位和阶梯电位模式如何影响2024铝合金薄片上Al₂O₃涂层的生长行为和性能。在阶梯电位模式下，电位从较低水平开始逐渐增加，随着涂层厚度的增加而逐步升高。通过逐步增加电位，阶梯阳极氧化可以减少局部电场强度，促进更均匀的氧化层形成。尽管电位调制的优势已被认可，但在相同处理条件下阶梯电位和恒定电位模式的比较效果仍知之甚少。

因此，本研究采用恒定电位和阶梯电位两种方法制备了2024铝合金上的Al₂O₃涂层，并系统地研究了其微观结构特征、硬度、耐腐蚀性、耐磨性和拉伸性能，进行了对比分析。本研究旨在阐明阶梯电位调制在优化涂层结构的同时，最小化基材机械性能退化方面的作用，为高性能阳极涂层的设计提供实际指导。

尽管本研究提供了全面评估，但仍存在一些局限性。研究的阳极氧化参数仅限于特定电位和电解液，未评估实际使用条件下的长期耐久性。未来的研究可以探索更广泛的电位制度，评估其他合金系统的性能，并利用纳米压痕和原位技术更好地理解阳极氧化膜的生长动态。

Al₂O₃涂层的制备

2024铝合金锭经过挤压、轧制和切割成厚度为80 mm × 30 mm × 1 mm的薄板。这些薄板被加工成狗骨形状的拉伸试样，标距长度为20 mm，窄部宽度为4 mm，宽部宽度为10 mm，厚度为1 mm。这种几何形状确保了拉伸测试过程中机械性能的可靠评估。阳极氧化前，试样在35 °C的NaOH溶液（200 g·L?1）中浸泡30秒。

相组成

图3显示了在恒定电位和阶梯电位模式下沉积在2024铝合金上的Al₂O₃涂层的XRD图谱。对于基底，清晰观察到α-Al（PDF#04–0787）、S-Al₂CuMg（PDF#28–0014）和θ-Al₂Cu（PDF#25–0012）相的衍射峰。阳极氧化后，所有涂层样品在20°–35°的2θ范围内呈现宽泛的非晶晕圈，表明阳极氧化形成的Al₂O₃层主要为非晶态，这与

结论

• (1)
  与恒定电位模式相比，阶梯电位调制能够在2024铝合金上形成更薄、更致密的Al₂O₃涂层，有效抑制了微裂纹的形成并提高了涂层硬度。
• (2)
  阶梯电位处理显著提高了耐磨性：阶梯电位制备的涂层最小磨损体积（0.089 mm3）低于恒定电位涂层（0.102 mm3）。
• (3)
  电化学测量表明，涂层

未引用参考文献

[53]; [54]; [55]

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