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微弧氧化及液态等离子电解技术专栏
王亚明

        液态等离子体电解技术利用液相放电产生高温等离子体,对轻金属和钢铁等金属材料进行表面改性,根据液态等离子体放电方式的不同可分为微弧氧化(等离子体电解氧化)、等离子体电解渗、等离子体电解抛光/去除、阴极微弧电沉积等方法。目前,国内外研究学者对微弧氧化技术与等离子体电解抛光技术给予了更多关注,一直是该领域的研究热点。微弧氧化技术是一种通过液相放电产生高温等离子体在金属表面原位生长陶瓷涂层的表面处理方法,涂层与基体结合牢固、致密性高,更重要的是可通过电解液成分选择与电参数的匹配进行优化设计,进而可获得一系列高技术需求的特殊功能化涂层;等离子体电解抛光/去除技术是一种通过液相等离子体物理和电化学溶解反应去除表面凹凸体实现抛光或去除表面涂层的处理方法,该技术采用低浓度盐溶液,工艺相对环保高效,可实现对各种金属的表面精整抛光、3D打印多孔金属未熔粉剥离去除、涂层去除等功能。微弧氧化技术与等离子体电解抛光/去除技术展现出了在材料防护和应用领域广阔的应用前景。为进一步推动相关领域的发展和应用,《材料保护》特开辟微弧氧化及液态等离子体电解技术专栏,诚挚邀请了在该领域有所成就的部分专家学者撰稿,重点推介我国在微弧氧化技术与等离子体电解抛光/去除技术的研究进展。我们期待这些举措能为相关的研究人员和企业从业人员提供更好的交流平台,推动这些技术的产学研用融合创新,引领相关产业高质量发展,也希望能为产业发展抛砖引玉,期待并热诚欢迎行业从业专家及工程技术人员进一步深入探讨和继续赐稿交流。

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  • 微弧氧化及液态等离子电解技术专栏
    李兴明, 赵 盖, 胡清元, 丁庆军
    材料保护. 2023, 56(7): 1-9. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0154
    为了提高铝合金的耐磨性,在六偏磷酸盐复合电解液中加入不同浓度氧化石墨烯(GO)对铝合金进行微弧氧化(MAO),利用扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)、膜层测厚仪和显微硬度计分析GO 对微弧氧化膜层的微观形貌、相组成、元素分布、厚度和显微硬度的影响,重点研究了不同GO 浓度下的铝合金微弧氧化膜层的摩擦磨损性能。结果表明:电解液中添加GO 纳米颗粒对微弧氧化膜层有显著的影响。Al2O3/GO 膜层生长速率随GO 含量增加而上升,其主要成分是α-Al2O3和γ-Al2O3。随着GO 浓度的增加,微弧氧化膜层的显微硬度相较于纯2A12 铝合金明显提高。由于电解氧化过程中C 元素掺入膜层界面,Al2O3/GO 膜层的表面变得致密且光滑,摩擦系数明显下降且耐磨性提高。该方法为强化铝合金表面耐磨提供了新思路,对拓展铝合金的应用具有重要意义。
  • 微弧氧化及液态等离子电解技术专栏
    张云龙, 牛楚涵, 董鑫焱, 张宇民, 李启荣, 李成海, 张瑞霞, 张唯一
    材料保护. 2023, 56(7): 10-16. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0155
    作为生物医用材料,TC4 钛合金在骨组织再修复领域中临床使用量很大,中国每年的消耗量约为百万件以上。但TC4 钛合金耐磨性低、生物活性差等问题严重制约其工程应用领域的扩展。为此,采用微弧氧化/水热合成复合技术在TC4 表面制备微弧氧化/水热复合涂层,研究水热合成液中La(NO3)3掺杂量对TC4 钛合金微弧氧化/水热涂层的相组成、微观形貌、显微硬度、耐磨性等参数的影响作用。利用XRD、SEM、显微硬度计、摩擦磨损试验机等手段对TC4 钛合金微弧氧化/水热涂层进行表征。研究结果表明:TC4 钛合金微弧氧化/水热涂层相组成主要由锐钛矿型TiO2和羟基磷灰石组成。经过水热处理后合成液中La3+进入到复合涂层中,参与涂层反应。随着La(NO3)3掺杂量增加,获得的复合涂层中羟基磷灰石相含量先增加后降低。当La(NO3)3掺杂量超过24 mmol/L时,涂层表面变得更为光滑。TC4 钛合金微弧氧化/水热涂层的显微硬度先降低后增加,且其摩擦系数先增大后减小。当La(NO3)3掺杂量达到24 mmol/L 时,涂层的显微硬度达到最小值,约为271.8 HV9.8 N;涂层摩擦系数达到最大值,约为0.8~0.9。
  • 微弧氧化及液态等离子电解技术专栏
    杨 帆, 齐玉明, 傅文恺, 黄 鑫, 崔学军
    材料保护. 2023, 56(7): 17-24. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0156
    为提高7075 铝合金表面的耐磨性能,在掺杂纳米BN 颗粒的电解质溶液中通过微弧氧化技术构筑铝合金表面硬质陶瓷涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X 射线衍射仪(XRD)、光电子能谱仪(XPS)、粗糙度仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机等表征方法,研究了加入纳米BN 颗粒对微弧氧化过程起弧电压及涂层的表面形貌、孔隙率、物相组成、厚度、粗糙度、显微硬度、摩擦磨损性能的影响。结果表明:涂层主要由α-Al2O3相和γ-Al2O3相组成;纳米BN 颗粒提高了起弧电压,增加了涂层的厚度、粗糙度、硬度;当添加0.3 g/L 纳米BN 颗粒时,所得微弧氧化涂层的综合性能最佳。此时涂层中的微孔数量少、孔径小,致密度高,其表面孔隙率从未添加的6.617%降到3.518%;硬度达到最高值916.7 HV10 N,厚度20 μm,粗糙度2.38 μm;摩擦系数降低至0.7,磨损率降低至7.84×10-5 mm3/(N·m)
  • 微弧氧化及液态等离子电解技术专栏
    邹永纯, 王树棋, 王亚明, 陈国梁, 张凯伟, 欧阳家虎, 贾德昌, 周 玉
    材料保护. 2023, 56(7): 25-30. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0157
    微弧氧化涂层在制备及服役过程中出现生长不均匀或表面磨损剥落现象,需将其去除以达到二次制备再利用的目的。针对高结合强度微弧氧化涂层难去除的瓶颈问题,提出了一种等离子体电解涂层去除(Plasma Electrolytic Removal,PER)新技术。对比分析不同电压下涂层去除速率、厚度变化及不同时间下涂层去除后微观形貌发现,当施加电压260 V 时,涂层去除效率最低,经过11 min 后涂层全部去除;当电压升至320 V 时,涂层全部去除仅需6 min,这归因于大的施加电压,更容易产生多且稳定的等离子体放电通道,实现微弧氧化涂层快速去除;基于此进一步提出了等离子体电解涂层去除的剥离、减薄与溶解协同作用机制。该工艺去除效率高、绿色环保,在航空航天、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。
  • 微弧氧化及液态等离子电解技术专栏
    赵昕睿, 王树棋, 付博达, 陆寅松, 邹永纯, 陈国梁, 王亚明
    材料保护. 2023, 56(7): 31-37. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0158
     为了提高TC4 合金的高温抗氧化性能,采用微弧氧化方法在NaAlO2+ Na3PO4电解液体系中,于钛合金表面制备抗氧化陶瓷涂层。通过XRD、SEM、EDS 等方法,表征涂层的相组成和微观结构,用纳米压痕仪测试涂层硬度与弹性模量,并研究了微弧氧化涂层的抗高温氧化及抗热震性能。结果表明:微弧氧化涂层表面多孔,涂层以Al2TiO5和金红石型TiO2相为主。微弧氧化涂层的纳米硬度为(7.8±0.6) GPa,显著高于TC4 合金[(4.0±0.2)GPa]。微弧氧化涂层在700 ℃循环氧化80 h 后,单位面积增重仅0.73 mg/cm2,远小于TC4 合金的增重(20 mg/cm2),表现出良好的高温抗氧化性能。经700 ℃热冲击25 次后,涂层未出现剥落现象,展现出良好的抗热震性能。由此可见,微弧氧化涂层能有效阻止氧的扩散,显著降低了钛合金基体的氧化速率,改善了钛合金的抗高温氧化性能。
  • 微弧氧化及液态等离子电解技术专栏
    程赵辉, 杨 巍, 张 勇, 石小倩, 饶模松
    材料保护. 2023, 56(7): 38-46. https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2023.0159
    为了提高TC11 钛合金耐磨性及高温抗氧化性,通过添加不同浓度Nd2O3颗粒制备了Nd2O3颗粒掺杂的微弧氧化层。采用扫描电镜、X 射线衍射仪等研究了Nd2O3浓度对TC11 钛合金表面微弧氧化层微观结构、物相组成的影响,并评价了涂层的耐磨性与高温抗氧化性能。结果表明:添加Nd2O3颗粒后,膜层表面的微孔数量减少,膜层物相以金红石型TiO2和锐钛矿型TiO2为主,随着Nd2O3浓度的增加,Nd 元素在膜层中的含量逐渐增加,膜层厚度先增大后减小;在Nd2O3浓度为1 g/L 时,所制备的微弧氧化层综合性能最佳,膜层平均厚度8.68 μm,磨损失重0.43 mg,磨痕宽度598.04 μm,高温氧化增重0.139 mg/cm2。与TC11 钛合金基体和未添加Nd2O3颗粒的试样相比,添加1 g/L Nd2O3后微弧氧化层的高温抗氧化性得到显著改善,耐磨性较未添加Nd2O3颗粒时的下降。