程英亮教授课题组：铝合金“软火花”PEO表面处理α-Al2O3相转化机制

铝是现代文明不可或缺的材料，但也存在硬度低等缺点。等离子体电解氧化（PEO）又称微弧氧化，是一种环保、高效的表面处理技术，可以在铝及其合金表面生成硬质陶瓷氧化层，极大提高材料的表面性能。

铝的PEO处理存在一种称为“软火花”的独特等离子体放电现象。在该状态下，阳极电压降低，工件表面火花放电强度减弱，然而却可以大幅度提高效率和膜中α-Al₂O₃（刚玉）的含量。在能耗降低的软火花状态下生成α-Al₂O₃高温相是该领域一项重要而又令人困惑的科学问题。最近，有国外学者认为，软火花条件下氧化膜中复杂的离子传输及水热溶解/沉淀过程促成物种在晶界的迁移，导致氧化铝的γ→α相转变临界温度降低，从而形成α-Al₂O₃。

为深入研究软火花下α-Al₂O₃的形成机制，程英亮课题组以Al-Cu-Li合金为对象，利用热电偶直接测量氧化过程膜层表面和基体的温度。结果表明，与之前人们的认知相反，氧化膜界面在软火花状态下相比于常规的火花放电有着更高的温度。此外，在软火花条件下形成的黑色内层膜中存在氧化铜及方石英，分析表明，这些物种的形成同样需要800-1200℃的高温。因此，直接和间接的证据都表明软火花条件下膜层中存在高温，这也符合热激发形成α-Al₂O₃相的科学认知。课题组认为，软火花条件下形成的“三明治”结构（非晶外层/晶态氧化铝内层/非晶氧化铝阻碍层）有利于膜层内部维持高温条件，促进α-Al₂O₃的生成。同时，软火花条件得到的氧化铝内层具有极佳的耐磨性，磨损率降低为未处理铝合金的1/650。该工作的意义在于澄清了低能耗的软火花状态形成α-Al₂O₃相的真实原因，有利于铝合金表面高硬度、高耐磨防护层的制备。

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该研究成果以“Fast formation of a black inner α-Al2O3 layer doped with CuO on Al-Cu-Li alloy by soft sparking PEO process”为题，发表在国际权威期刊Journal of the American Ceramic Society。硕士研究生贺小锐为论文第一作者，已毕业研究生冯恬为第二作者，程英亮教授为论文通讯作者。论文链接为：https://doi.org/10.1111/jace.19240，该研究得到的国家自然科学基金项目（51671084）的支持。