鋁合金因其低密度、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性及易加工等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域。然而，其較差的耐腐蝕性能嚴(yán)重限制了使用壽命和應(yīng)用范圍。為提升鋁合金的耐蝕性，微弧氧化（MAO）作為一種高效、環(huán)保的表面處理技術(shù)，近年來受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)可在鋁合金表面原位生成結(jié)合力強(qiáng)、耐蝕性好的陶瓷氧化層。Flexfilm探針式臺階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究聚焦6061鋁合金，在硅酸鹽電解液體系中，系統(tǒng)分析了不同電流密度（2、4、6、8 A/dm2）對微弧氧化膜層微觀結(jié)構(gòu)及耐腐蝕性能的影響。通過SEM、EDS、XRD、電化學(xué)測試等手段分析發(fā)現(xiàn)，隨著電流密度增大，膜層厚度和粗糙度增加，孔隙率降低，腐蝕電流密度顯著下降。在電流密度為6 A/dm2時(shí)，膜層結(jié)構(gòu)最致密，耐蝕性最優(yōu)，自腐蝕電流密度最低，為1.924×10?? A·cm?2，腐蝕電阻最高，達(dá)2.297×10? Ω·cm2，表明該工藝能有效提升6061鋁合金的耐腐蝕性能。

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試驗(yàn)材料與方法

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試驗(yàn)材料

6061 鋁合金化學(xué)成分表 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

試驗(yàn)材料選取6061擠壓態(tài)鋁合金，通過線切割方式將鋁合金材料裁成尺寸為20 mm × 15 mm × 3 mm的試樣。試驗(yàn)前將試樣用 400 ~ 1200 目的砂紙逐級打磨，并用拋光機(jī)進(jìn)行拋光，以去除試樣表面氧化層，最后 將試樣置于超聲清洗機(jī)中使用去離子水清洗 5 min 并干燥備用。

MAO制備

MAO 裝置主要由720V/ 30A 電源、U 形不銹鋼板、電解槽及水循環(huán)冷卻系統(tǒng)組成。電解液成分主要由 16 g/ L Na2SiO3·9H2O、3 g/ L NaOH、2 g/ L KF、3 g/ L C3H8O3 組成，利用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)將電解槽水溫控制在20±2℃以下。將 6061 鋁合金試樣與電源陽極相連，U形不銹鋼板連接電源陰極。MAO工藝參數(shù)：氧化時(shí)間 20 min，占空比 30%，頻率1000 Hz，電流密度為變量，依次為2、4、6 、8 A/dm2。

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陽極電壓與膜層生長

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不同電流密度下制備 MAO 膜層時(shí)陽極電壓隨時(shí)間變化的曲線圖

電壓整體隨氧化時(shí)間延長而升高，且電流密度越大，最終電壓值越高。該過程分為快速增長的擊穿階段、緩慢增長的生長階段和趨于穩(wěn)定的階段，表明陶瓷膜層持續(xù)生長。

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膜層厚度與粗糙度

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左：膜層厚度；右：表面粗糙度

膜層厚度隨電流密度增加而線性增長，從 6.8 μm（2 A/dm2）增至22.3 μm（8 A/dm2）。

表面粗糙度同樣隨電流密度上升，由0.67 μm增至1.50 μm，原因是高電流密度下火花能量增大，形成更大陶瓷顆粒。

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表面形貌與孔隙率

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左上：宏觀形貌；右上： SEM表面形貌；左下：孔隙率和)孔徑分布；右下：孔隙測量圖

SEM顯示膜層呈“火山口”狀結(jié)構(gòu)，含孔洞和微裂紋。

隨著電流密度升高，孔洞數(shù)量減少，陶瓷顆粒堆積更密。

孔隙率從5.79%（2 A/dm2）降至1.81%（6 A/dm2），孔徑多分布在0~3 μm。

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元素與物相分析

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MAO膜層表面微觀形貌與元素分析圖譜: (a) 2 A/dm2; (b) 4 A/dm2; (c) 6 A/dm2

不同電流密度下制備MAO膜層的XRD圖譜

EDS顯示膜層主要含Al、O、Si元素，來源于基體和電解液。

XRD表明膜層由α-Al?O?和γ-Al?O?組成，電流密度升高使Al基體衍射峰減弱，氧化鋁峰增強(qiáng)。

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橫截面形貌

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MAO膜層橫截面SEM形貌：(a) 2 A/dm2; (b) 4 A/dm2; (c) 6 A/dm2

橫截面SEM圖像顯示，膜層與基體結(jié)合良好。隨著電流密度增加至6 A/dm2，膜層更厚且內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密。

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耐腐蝕性能

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左：MAO膜層在 3.5% NaCl 溶液中的極化曲線；右：不同電流密度下制備MAO膜層的交流阻抗譜

極化曲線顯示，MAO處理后自腐蝕電流密度降低2個(gè)數(shù)量級。

電流密度為6 A/dm2時(shí)，耐蝕性最優(yōu)，腐蝕電阻最大，阻抗譜中容抗弧半徑最大，表明膜層致密、缺陷少。

本研究系統(tǒng)探討了電流密度對6061鋁合金微弧氧化膜層組織及耐蝕性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在硅酸鹽電解液體系中，隨著電流密度從2 A/dm2增加至6 A/dm2，膜層厚度和表面粗糙度均呈上升趨勢，而膜層孔隙率則顯著降低至1.81%，且孔徑多集中于0–3 μm范圍。物相分析顯示膜層主要由α-Al?O?和γ-Al?O?組成。電化學(xué)測試進(jìn)一步證實(shí)，隨著電流密度增大，膜層的自腐蝕電位升高，自腐蝕電流密度下降兩個(gè)數(shù)量級，腐蝕電阻顯著提升。當(dāng)電流密度為6 A/dm2時(shí)，膜層綜合性能最優(yōu)，具備最佳的耐腐蝕性。該研究為6061鋁合金微弧氧化工藝的優(yōu)化提供了重要理論依據(jù)。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費(fèi)曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《電流密度對 6061 鋁合金微弧氧化膜層組織及耐蝕性的影響》

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