阅读说明：本技术 一种铝及铝合金表面等离子体氧化方法 (Aluminum and aluminum alloy surface plasma oxidation method ) 是由 赵彦辉 刘忠海 刘占奇 于宝海 于 2019-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明属于金属材料表面改性技术领域,具体涉及一种铝及铝合金表面进行等离子体氧化的方法。采用电弧增强辉光放电(AEGD)技术完成,通过电弧放电产生电子流,然后电子与氧气等气体碰撞使其电离,产生氧等离子体,在基体表面施加正偏压电场,产生辉光放电,将带负电的氧离子吸引到基体表面进行氧化反应,从而生成氧化铝保护膜层。该方法与传统的微弧氧化、阳极氧化技术相比,具有无环境污染等优点,可有效提高铝合金表面的抗点蚀性能。(The invention belongs to the technical field of surface modification of metal materials, and particularly relates to a method for performing plasma oxidation on the surface of aluminum and aluminum alloy. The method is completed by adopting an Arc Enhanced Glow Discharge (AEGD) technology, electron current is generated through arc discharge, then electrons collide with gas such as oxygen and the like to be ionized, oxygen plasma is generated, a positive bias electric field is applied to the surface of a matrix, glow discharge is generated, and negatively charged oxygen ions are attracted to the surface of the matrix to carry out oxidation reaction, so that the aluminum oxide protective film layer is generated. Compared with the traditional micro-arc oxidation and anodic oxidation technologies, the method has the advantages of no environmental pollution and the like, and can effectively improve the pitting corrosion resistance of the surface of the aluminum alloy.)

一种铝及铝合金表面等离子体氧化方法

技术领域：

本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种铝及铝合金表面进行等离子体氧化的方法。

背景技术：

铝及铝合金材料具有相对密度小、比强度高、塑性好、导电导热性能优异、易加工成形、价格低等一系列优点，广泛应用于航空航天、船舶制造、兵器工业和轻工建材等多个领域，是具有经济价值和商业应用意义的关键材料之一。尤其是，铝合金材料可以在大气中与空气中的氧化合，在合金表面形成一薄层氧化膜。但是这种氧化膜较薄，一般仅为2nm且呈现多孔结构，在海水或海洋环境条件下，氯离子易穿透氧化膜造成点腐蚀，往往难以满足要求。因此，常需利用电化学手段对合金表面进行处理，在铝合金表面形成一层均匀、连续、致密的多孔氧化铝薄膜，使材料表面的耐蚀性、耐磨性提高。

一些表面处理方法(如：阳极氧化、化学氧化、微弧氧化等)虽有较广泛应用，但是这些技术制备的氧化膜缺陷较多，对环境污染较大。随着社会的发展，对铝合金质量和环保节能的要求越来越高，人们开始采用一些真空处理方法，如：离子渗氮、离子渗氧以及离子注入等辉光放电为核心的方法。如：中国台湾的Fu-Hsing Li等用 13.6MHz的射频离子装置，氧化2h能够在铝表面制备厚度约60nm的结晶氧化铝层(Lu F H，Tsai H D，Chieh YC.Plasma oxidation of Al thin films on Si substrates.Thin Solid Films，2008，516(8):1871-1876)。德国的Raveh等利用微波离子氧化技术制备 20nm厚无定形氧化铝层(Raveh A，Tsameret Z K，Grossman E.Surface characterization of thin layers ofaluminium oxide.Surface and Coatings Technology,1997,88(1):103-111)。

国内也有采用空心阴极放电辅助离子氧化处理铝合金(李杨、张念武、徐惠忠、邱剑勋、赵相金、王硕，铝合金空心阴极放电辅助离子氧化技术的研究，烟台大学学报(自然科学与工程版)，2014,27(4):271-274)，制备储20～500nm 厚的致密光滑的氧化层(Al₂O₃)。在浓度为3.5wt％的NaCl溶液中对未处理和离子氧化样品进行浸泡腐蚀实验，经过浸泡20天后，未处理样品受到严重腐蚀，而氧化样品表面无明显腐蚀现象。总体而言，离子渗氧后可有效改善铝合金得抗腐蚀性能，但氧化层厚度仍较薄，其厚度仍有待提高。

发明内容

针对现有铝及铝合金氧化技术的不足，本发明的目的是提供一种铝及铝合金表面进行等离子体氧化的方法，在有效改善铝合金得抗腐蚀性能的同时，使氧化层厚度得到提高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种铝及铝合金表面等离子体氧化方法，采用电弧增强辉光放电技术来实现铝及铝合金表面的等离子体氧化。

所述的铝及铝合金表面等离子体氧化方法，采用电弧增强辉光放电技术时，在电弧阴极靶外侧设置辅助阳极，且对辅助阳极进行通水冷却；辅助阳极采用无氧铜，并与弧源阴极相连。

所述的铝及铝合金表面等离子体氧化方法，采用电弧增强辉光放电技术进行等离子体氧化过程中，基体接偏压电源正极，真空室壁接偏压电源负极。

所述的铝及铝合金表面等离子体氧化方法，具体步骤如下：

(1)基体预清洗：基体表面经喷砂后在酒精溶液中超声1～30分钟，经热风吹干后装入真空室内的工件架上，等待处理；

(2)氩离子轰击：采用纯钛靶，当真空室内真空度达到1×10^-3Pa～1×10^-2Pa时，对真空室加热至200～500℃；向真空室通入氩气，氩气气压控制在0.1～5Pa之间；同时，开启纯钛靶弧源，弧电流为60～150A，纯钛靶弧光放电后会产生电子流，将氩气电离，基体加脉冲负偏压在-400～-1500V范围内，偏压占空比在30～90％范围内，使氩气发生辉光放电，对基体进行辉光清洗10～120分钟；

(3)等离子体氧化：采用纯钛靶，调整氩气气压为0.1～5Pa范围内，同时通入氧气，氩气流量在100～1000sccm范围内，氧气流量为氩气流量的5～50％范围内，对基体施加脉冲正偏压10V～500V，偏压占空比为10～80％范围内；调节弧电流为 60～150A，氧化时间为10～300分钟；

(4)氧化结束后，停弧、停基体脉冲偏压、停止通入氩气和氧气，继续抽真空，工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，氧化过程结束。

所述的铝及铝合金表面等离子体氧化方法，氧化过程结束后，氧化层厚度范围为0.01～2微米。

本发明的设计思想是：

本发明在辉光放电的基础上，利用电弧放电增强，以进一步提高等离子体密度，从而提高氧化层厚度。本发明采用电弧增强辉光放电(AEGD)技术完成，通过电弧放电产生电子流，然后电子与氧气等气体碰撞使其电离，产生氧等离子体，在基体表面施加正偏压电场，产生辉光放电，将带负电的氧离子吸引到基体表面进行氧化反应，从而生成氧化铝保护膜层。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：

1、本发明采用电弧增强辉光放电(AEGD)技术来实现铝及铝合金表面的等离子体氧化，与阳极氧化及微弧氧化相比，具有对环境无污，氧化速度快，获得氧化层厚度较厚等优点。

2、本发明方法制备的氧化层可以有效提高海洋环境下铝合金的耐点蚀性能。

3、本发明在电弧阴极靶外侧设置辅助阳极，且对辅助阳极进行通水冷却，辅助阳极所起的作用是：吸引带负电的电子，通过电子与气体分子碰撞，使气体发生离化。

具体实施方式

：

下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，基材采用纯铝，试样块尺寸为20mm×10mm×10mm，氧化面尺寸为20mm×10mm。氧化前，基体表面先经过研磨、抛光，在酒精溶液中超声清洗10 分钟、干燥后，放入真空室内的工件架上，待真空室内真空度达到4×10^-3Pa时，对真空室加热至350℃，打开气体质量流量控制器，向真空室通入氩气，设定氩气流量为500sccm，气压控制在3.0Pa，同时开启纯钛靶弧源，弧电流为80A，纯钛靶产生弧光放电后会产生电子流，将氩气电离，基体加脉冲负偏压为-700V，偏压占空比为70％，使氩气发生辉光放电，对基体进行辉光清洗40分钟；然后调整氩气气压为2.0Pa，同时通入氧气，氧气流量为氩气流量的20％，对基体施加脉冲正偏压200V，偏压占空比为30％；调节弧电流为80A，氧化时间为90分钟；氧化结束后，停弧、停基体脉冲偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，氧化过程结束。

所得氧化层外观为银灰色，扫描电镜测试氧化层厚度为0.4微米。

实施例2

本实施例中，基材采用铝合金(牌号为2024)，试样尺寸为20mm×10mm×10mm，氧化面尺寸为20mm×10mm。氧化前，基体表面先经过研磨、抛光，在酒精溶液中超声清洗15分钟、干燥后，放入真空室内的工件架上，待真空室内真空度达到2×10^-3Pa 时，对真空室加热至450℃，打开气体质量流量控制器，向真空室通入氩气，设定氩气流量为350sccm，气压控制在2.0Pa，同时开启纯钛靶弧源，弧电流为90A，纯钛靶产生弧光放电后会产生电子流，将氩气电离，基体加脉冲负偏压为-800V，偏压占空比为60％，使氩气发生辉光放电，对基体进行辉光清洗60分钟；然后调整氩气气压为1.5Pa，同时通入氧气，氧气流量为氩气流量的15％，对基体施加脉冲正偏压150V，偏压占空比为25％；调节弧电流为80A，氧化时间为120分钟；氧化结束后，停弧、停基体脉冲偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，氧化过程结束。

所得氧化层外观为银灰色，扫描电镜测试氧化层厚度为0.5微米。

实施例3

本实施例中，基材采用铝合金(牌号为6061)，试样尺寸为20mm×10mm×10mm，氧化面尺寸为20mm×10mm。氧化前，基体表面先经过研磨、抛光，在酒精溶液中超声清洗20分钟、干燥后，放入真空室内的工件架上，待真空室内真空度达到6×10^-3Pa 时，对真空室加热至400℃，打开气体质量流量控制器，向真空室通入氩气，设定氩气流量为600sccm，气压控制在3.5Pa，同时开启纯钛靶弧源，弧电流为100A，纯钛靶产生弧光放电后会产生电子流，将氩气电离，基体加脉冲负偏压为-600V，偏压占空比为80％，使氩气发生辉光放电，对基体进行辉光清洗60分钟；然后调整氩气气压为2.5Pa，同时通入氧气，氧气流量为氩气流量的20％，对基体施加脉冲正偏压200V，偏压占空比为20％；调节弧电流为90A，氧化时间为180分钟；氧化结束后，停弧、停基体脉冲偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，氧化过程结束。

所得氧化层外观为银灰色，扫描电镜测试氧化层厚度为0.9微米。

实施例4

本实施例中，基材采用铝合金(牌号为7075)，试样尺寸为20mm×10mm×10mm，氧化面尺寸为20mm×10mm。氧化前，基体表面先经过研磨、抛光，在酒精溶液中超声清洗25分钟、干燥后，放入真空室内的工件架上，待真空室内真空度达到2×10^-3Pa 时，对真空室加热至500℃，打开气体质量流量控制器，向真空室通入氩气，设定氩气流量为300sccm，气压控制在1.8Pa，同时开启纯钛靶弧源，弧电流为100A，纯钛靶产生弧光放电后会产生电子流，将氩气电离，基体加脉冲负偏压为-900V，偏压占空比为70％，使氩气发生辉光放电，对基体进行辉光清洗60分钟；然后调整氩气气压为1.8Pa，同时通入氧气，氧气流量为氩气流量的25％，对基体施加脉冲正偏压250V，偏压占空比为30％；调节弧电流为70A，氧化时间为150分钟；氧化结束后，停弧、停基体脉冲偏压、停止通入气体，继续抽真空，工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，氧化过程结束。

所得氧化层外观为银灰色，扫描电镜测试氧化层厚度为0.8微米。

实施例结果表明，本发明铝及铝合金表面进行等离子体氧化的方法，该方法与传统的微弧氧化、阳极氧化技术相比，具有无环境污染等优点，可有效提高铝合金表面的抗点蚀性能。