Abstract：The research and application of surface modification technologies for aluminum alloy in recent years were summarized. The features of surface modification technology and prospect of high current pulsed electron beam combined treatment technology were discussed.
Key words：aluminum alloy; surface modification; high current pulsed electron beam; surface combined treatment
铝合金具有密度小，机械加工效率高，易于加工 成型等优点， 是轻合金中应用最广、 用量最多的合 金[1-2]。 铝合金的化学性质活 泼，在干燥 空气中铝的 表面立即形成一层薄而致密的氧化膜。 但铝合金的 表面硬度低、耐磨性差，腐蚀电位较负，表层氧化膜 易 受 强 酸 和 强 碱 的 腐 蚀[3]，这 些 缺 点 严 重 限 制 了 铝 合金的应用。
的技术。 用铝合金制品作阳极，通电氧化，使铝合金 制品表面形成一层较厚而致密的硬质氧化物保护 膜，该膜具有双层结构，表面为多孔蜂窝状，较之铝 合金的天然氧化膜，其耐蚀性、耐磨性均显著提高。
在氧化成膜形成过程中，同时发生两个过程：一 是在铝合金表面生成 Al2O3 氧化膜的过程； 二是在 氧化膜生成的过程中伴随着氧化膜溶解的过程。 只 有当氧化膜的生成速度超过其溶解速度， 方可得到 一定厚度的氧化膜。
激光表面改性技术通过激光束与材料的相互作 用使材料表面发生物理、 化学性能变化，是一种改 善铝合金表面性能的有效方法。 与其他传统方法 (阳 极 氧 化 法 、PVD、CVD、溶 胶-凝 胶 、 等 离 子 喷 涂 以 及等离子微弧氧化等)相比， 其最大特点是改性层厚 而 致 密 ，与 基 体 间 呈 冶 金 结 合 ，结 合 强 度 高[18-20]。 同 时 激光表面强化只对表层起作用， 不影响基体的性 质。 激光表面改性通常包括激光表面合金化和激 光熔覆两种方法。
2010 年 10 月
在铝合金基体上的电镀比在钢铁基材上施镀要困难 得多，必须进行一些特殊的处理。
铝合金镀层的种类很多。 按合金元素对镀层性 能的影响可将合金镀层分为以下 3 类： ①耐蚀铝合 金镀层， 合金元素的加入会极大地提高镀层的抗点 蚀能力。②装饰性合金镀层，这类镀层具有金属玻璃 结构，因此具有美观光亮的金属外表，不经加工即可 作为器具的外装涂饰。③功能性合金镀层，这类镀层 具有一定的磁性和超导性能。 按加入合金元素的种 类， 可将镀层分为二元合金镀层和在二元合金镀层 基 础 上 扩 展 的 三 元 或 多 元 合 金 镀 层 [6]。
合金的表面保护越来越引起人们的关注， 而热喷涂 长 效 防 护 金 属 涂 层 一 直 是 人 们 研 究 的 热 点 之 一 [13-16]。
随电弧喷涂设备和技术的发展日趋成熟， 电弧 喷涂长效防护涂层的应用和研究逐渐占据了主要地 位，在工业生产中，通常采用电 弧 喷 涂 进 行 防 腐 处 理 。 徐 荣正等[17]采 用 电 弧 喷 涂 工 艺 在 6061 铝 合 金 基 体 表面喷涂高纯铝涂层， 利用金相显微镜对涂层的组 织进行观察，分析了基体与涂层的结合方式，测量了 涂层的孔隙率。 并采用 w(NaCl)=5%的溶液浸泡试验、 盐雾试验和电化学试验，检验了涂层的耐腐蚀性。 结果 表明，利用电弧喷涂技术可以在 6061 铝合金基体表 面形成均匀、致密、孔隙率低、结合良好的高纯铝涂 层；高纯铝涂层耐腐蚀性较好，对铝合金基体起到了 保护作用，涂层经过封孔工艺处理后保护作用更好。 1.5 激光表面改性
电镀在工业中应用已久，但有其不足之处：如镀 膜不够致密，有气孔，易发生氢脆，对环境污染严重， 三废处理费用高昂， 同时电镀过程中产生的六价铬 及电镀层中的镍、镉是对人体有害的致癌物质。 1.3 化学镀技术
化学镀 Ni-P 镀层具有耐蚀性和耐磨性优异、与 基 体 结 合 力 高 、 表 面 镀 层 均 匀 、 硬 度 高 等 优 点，已成 为很多金属及合金常用的表面防护方法[7-8]。 与电镀工 艺相比，化学镀是一种低污染的工艺，得到的 镍 磷 合 金 又是一种很好的代铬镀层合金。 经过化学镀镍所得 镍磷镀层的厚度均匀， 耐磨性有很大提高， 操作简便 且适合形状复杂的零件。 它不仅提高了铝合金的耐蚀 性、耐磨性、 可焊性和点接触性 ， 而 且 还 赋 予 铝 合 金 各 种新的功能， 如磁性能、润滑性能等。 这些优良的特 性 使 得 化 学 镀 镍 的 铝 合 金 应 用 范 围 更 加 广 泛 [9-11]。
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
铝合金表面改性技术的发展现状
初 鑫 1, 任 鑫 1, 郝胜智 2, 徐 洋 3
(1. 辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院, 辽宁 阜新 123000; 2. 大连理工大学 三束材料改性实验室, 辽宁 大连 116024; 3. 大连理工大学 材料科学与工程学院, 辽宁 大连 116024)
激光熔覆又称激光涂覆或激光熔敷， 其实质是 将具有特殊性能(如耐磨、耐蚀等)的粉末涂在金属 表面或在激光照射时同步送粉， 使其在激光束的作 用下迅速熔化、扩展及快速凝固。铝合金对红外激光 的高反射率使通过直接送粉进行激光熔覆是极为困 难的， 有研究者指出了激光熔覆陶瓷层的机理和工 艺 条 件 [23]， 在 激 光 辅 照 铝 合 金 表 面 的 同 时 ， 并 且 送 粉 位置适当的情况下，在基体上方产生等离子弧，该弧 与 激 光 束(功 率 密 度≥5×104 kW/cm2)共 同 作 用 下 ， 可成功实现陶瓷熔覆。 目前的研究显示： 可成功在 铝合金 表 面 熔 覆 的 材 料 体 系 主 要 有 Cu 基 合 金 、Ni 基 合 金 及 TiC 或 WC 等 陶 瓷 相 增 强 的 Cu 基 或 Ni 基 复 合 材 激 光 器 在 38CrMoAl 表面激光宽带熔覆 NiCrBSi + WC (质量 百分比 25%)复合涂层，研究表明，硬化区可分为表 面枝晶区、中部细晶区、熔覆结合枝晶区及基体四部 分。 涂 层 中 物 相 Cr1.8W3.2B3、Cr23C6、Ni3B 和 WC1-x 等 硬化相对提高硬度、 耐磨性起着积极的作用。 过饱 和的 γ-Ni 基体的固溶强化和细晶强化、高硬质点的 弥散强化，使硬质相具有强韧的衬底，大大提高其耐 磨性。合金层与基体成冶金结合，具有较好的强韧性 及组织稳定性。 1.6 等离子体表面改性
摘 要：对近年来国内外铝合金表面改性技术的研究与应用情况进行综述，讨论了电子束表面改性技术的特点和
基于强流脉冲电子束的复合表面处理技术的发展前景。
关键词：铝合金； 表面改性； 强流脉冲电子束； 复合表面处理
中 图 分 类 号 ：TG178
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2010)20-0123-05
电镀就是阴极沉积所需金属元素的工艺， 被沉 积的金属在工件表面形成结合牢固的致密镀层。 为 提高铝合金镀层的耐蚀性和强度， 抑制铝合金镀层 的枝晶生长， 常需要在电镀纯铝的基础上进行铝合 金的电镀。但由于铝合金本身的化学物理特性，使得
《热加工工艺》 2010 年第 39 卷第 20 期
123
材料热处理技术 Material & Heat Treatment
Progress State of Surface Modification Technology for Al Alloy
CHU Xin1, REN Xin1, HAO Shengzhi2, XU Yang3
(1. College of Material Science and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China; 2. Laboratory of Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 3. College of Material Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)
为了克服铝合金表面性能方面的缺点， 扩大其应 用范围，延长使用寿命，表面改性技术是非常重要的环 节。 目前，随科学技术的不断进步，用于铝合金表面处 理的工艺和技术得到广泛的研究， 本文综述了国内外 在铝合金表面改性技术方面的发展 情 况 ，涉 及 铝 合 金 阳极氧化处理、化学镀、电镀、 电弧喷涂、高能束(激 光、离子束、电子束)表面改性技术等多种方法 ， 介 绍 基于强流脉冲电子束的新型和复合表面处理技术。
铝合金化学镀镍磷工艺多采用传统的二次浸锌 前处理工艺，工艺流程如下：试样脱脂→水洗→纯水 洗→浸锌→水洗→退锌→水洗→纯水洗→二次浸锌 →水洗→褪锌→水洗→纯水洗→三次浸锌酸洗→水 洗→纯水洗→化学镀镍磷合金→水洗。
胡永俊等[12]制备了 Ni-W-P 三元合金化学镀层， 并 研 究 了 W 含 量 对 Ni-W-P 镀 层 耐 磨 性 和 硬 度 的 影响。 结果表明：铝合金表面化学镀 Ni-W-P 三元合 金在 400 ℃加热 1 h 后， 表面硬度达 1080 HV25，表 面硬度和耐磨性均较基体提高 10 倍以上。
激光表面合金化是指在激光光源的辅照下将 Fe、Ni、Cr、B 和 Si 等 合 金 元 素 熔 入 铝 合 金 基 体 ，形 成 与 基 体 具 有 优 异 冶 金 结 合 性 能 的 合 金 化 层 。 Fe、Ni 等合金化元素与 Al 形成细小弥散分布的金属间化 合物强化相，达到提高铝合金表面硬度、改善耐磨性 能的目的。 由于激光能量的可控性好、合金化层与 基体的结合性能好等优点，因此，激光表面合金化得 到广泛的研究和应用。 周龙早等[21]将 Ni-Cr 合金粉 末 用 有 机 粘 接 剂 调 成 膏 状 涂 在 铸 造 铝 合 金 ZL108 基体上，然后进行 CO2 激光表面合金化处理。 通过 选择合理的工艺参数， 在基体表面获得了冶金结合 性能良好的合金化层。 利用光学显微镜、扫描电镜、 能谱仪和 X 射线衍射仪对合金化层的显微组织结 构进行详细的研究。 结果表明： 合金化层由 Ni-Al 金属间化合物组成，并呈点状、弥散分布在 Al-Si 共 晶基体 上；合金化层 的显微硬度 可达 230 HV，比 基 体材料提高约 3 倍； 耐磨性比基体提高 2 倍左右。