台阶仪在铝合金耐蚀性研究中的应用：基于电流密度的MAO膜层结构表征与性能优化

铝合金因其低密度、良好的导电导热性及易加工等优点，广泛应用于汽车、航空航天等领域。然而，其较差的耐腐蚀性能严重限制了使用寿命和应用范围。为提升铝合金的耐蚀性，微弧氧化（MAO）作为一种高效、环保的表面处理技术，近年来受到广泛关注。该技术可在铝合金表面原位生成结合力强、耐蚀性好的陶瓷氧化层。Flexfilm探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究聚焦6061铝合金，在硅酸盐电解液体系中，系统分析了不同电流密度（2、4、6、8 A/dm²）对微弧氧化膜层微观结构及耐腐蚀性能的影响。通过SEM、EDS、XRD、电化学测试等手段分析发现，随着电流密度增大，膜层厚度和粗糙度增加，孔隙率降低，腐蚀电流密度显著下降。在电流密度为6 A/dm²时，膜层结构最致密，耐蚀性最优，自腐蚀电流密度最低，为1.924×10⁻⁶ A·cm⁻²，腐蚀电阻最高，达2.297×10⁴ Ω·cm²，表明该工艺能有效提升6061铝合金的耐腐蚀性能。

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试验材料与方法

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试验材料

6061 铝合金化学成分表 (质量分数/%)

试验材料选取 6061挤压态铝合金，通过线切割方式将铝合金材料裁成尺寸为 20 mm × 15 mm × 3 mm 的试样。试验前将试样用 400 ~ 1200 目的砂纸逐级打磨，并用抛光机进行抛光，以去除试样表面氧化层，最后 将试样置于超声清洗机中使用去离子水清洗 5 min 并干燥备用。

MAO制备

MAO 装置主要由 720V/ 30A 电源、U 形不锈钢板、电解槽及水循环冷却系统组成。电解液成分主要由 16 g/ L Na2SiO3·9H2O、3 g/ L NaOH、2 g/ L KF、3 g/ L C3H8O3 组成，利用水循环冷却系统将电解槽水温控制在 20±2℃以下。将 6061 铝合金试样与电源阳极相连，U形不锈钢板连接电源阴极。MAO工艺参数：氧化时间 20 min，占空比 30%，频率1000 Hz，电流密度为变量，依次为 2、4、6 、8 A/dm²。

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阳极电压与膜层生长

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不同电流密度下制备 MAO 膜层时阳极电压随时间变化的曲线图

电压整体随氧化时间延长而升高，且电流密度越大，最终电压值越高。该过程分为快速增长的击穿阶段、缓慢增长的生长阶段和趋于稳定的阶段，表明陶瓷膜层持续生长。

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膜层厚度与粗糙度

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左：膜层厚度；右：表面粗糙度

膜层厚度随电流密度增加而线性增长，从 6.8 μm（2 A/dm²）增至 22.3 μm（8 A/dm²）。

表面粗糙度同样随电流密度上升，由0.67 μm增至1.50 μm，原因是高电流密度下火花能量增大，形成更大陶瓷颗粒。

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表面形貌与孔隙率

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左上：宏观形貌；右上： SEM表面形貌；左下：孔隙率和)孔径分布；右下：孔隙测量图

SEM显示膜层呈“火山口”状结构，含孔洞和微裂纹。

随着电流密度升高，孔洞数量减少，陶瓷颗粒堆积更密。

孔隙率从5.79%（2 A/dm²）降至1.81%（6 A/dm²），孔径多分布在0~3 μm。

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元素与物相分析

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MAO膜层表面微观形貌与元素分析图谱: (a) 2 A/dm²; (b) 4 A/dm²; (c) 6 A/dm²

不同电流密度下制备MAO膜层的XRD图谱

EDS显示膜层主要含Al、O、Si元素，来源于基体和电解液。

XRD表明膜层由α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃组成，电流密度升高使Al基体衍射峰减弱，氧化铝峰增强。

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横截面形貌

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MAO膜层横截面SEM形貌：(a) 2 A/dm²; (b) 4 A/dm²; (c) 6 A/dm²

横截面SEM图像显示，膜层与基体结合良好。随着电流密度增加至6 A/dm²，膜层更厚且内部结构更为致密。

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耐腐蚀性能

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左：MAO膜层在 3.5% NaCl 溶液中的极化曲线；右：不同电流密度下制备MAO膜层的交流阻抗谱

极化曲线显示，MAO处理后自腐蚀电流密度降低2个数量级。

电流密度为6 A/dm²时，耐蚀性最优，腐蚀电阻最大，阻抗谱中容抗弧半径最大，表明膜层致密、缺陷少。

本研究系统探讨了电流密度对6061铝合金微弧氧化膜层组织及耐蚀性的影响规律。结果表明，在硅酸盐电解液体系中，随着电流密度从2 A/dm²增加至6 A/dm²，膜层厚度和表面粗糙度均呈上升趋势，而膜层孔隙率则显著降低至1.81%，且孔径多集中于0–3 μm范围。物相分析显示膜层主要由α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃组成。电化学测试进一步证实，随着电流密度增大，膜层的自腐蚀电位升高，自腐蚀电流密度下降两个数量级，腐蚀电阻显著提升。当电流密度为6 A/dm²时，膜层综合性能最优，具备最佳的耐腐蚀性。该研究为6061铝合金微弧氧化工艺的优化提供了重要理论依据。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

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原文参考：《电流密度对 6061 铝合金微弧氧化膜层组织及耐蚀性的影响》

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