掃描式微弧氧化方法及膜層性能研究.pdf

1、微弧氧化是一種在鋁、鎂、鈦及其合金表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜層的表面改性技術(shù)，具有工藝簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保，膜層結(jié)合力好，硬度高，耐磨耐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是至今缺少能夠比較完整的解釋微弧氧化過程中諸多現(xiàn)象并具有指導(dǎo)意義的微弧氧化放電模型；微弧氧化技術(shù)在成膜效率上的潛在優(yōu)勢(shì)還有待進(jìn)一步挖掘；微弧氧化加工過程中出現(xiàn)的尖端放電和面積效應(yīng)兩種不利因素，嚴(yán)重影響其在工程中的推廣應(yīng)用，這些都限制了微弧氧化技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。為了揚(yáng)長(zhǎng)避短，合理應(yīng)用微弧氧化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2、，有效規(guī)避微弧氧化技術(shù)的一些不足，針對(duì)上述存在的問題，本文通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)微弧氧化放電過程尤其是對(duì)微弧氧化埋弧氧化現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。
　　研究了微弧氧化放電和成膜過程。通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與分析，結(jié)合數(shù)據(jù)的比較，證實(shí)在微弧氧化過程中微熔池的存在，它的存在導(dǎo)致了埋弧氧化現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)證實(shí)了微弧氧化放電過程中電化學(xué)放電和等離子體放電相繼發(fā)生。采用電化學(xué)放電和等離子體放電并重研究思路，證實(shí)微孔氣體放電行為是微弧氧化放電和成膜過程的

3、本質(zhì)，進(jìn)一步研究表明，微孔氣體放電和工作液液相傳質(zhì)能力之間的矛盾，導(dǎo)致了微弧氧化處理過程中的客觀存在著尖端放電和面積效應(yīng)兩種不利因素。在此基礎(chǔ)上提出了掃描式微弧氧化方法。
　　研制了掃描式微弧氧化裝置。通過對(duì)掃描式微弧氧化的放電特征和放電間隙負(fù)載特征的分析，基于掃描式微弧氧化恒定負(fù)載特性，提出了具有短路保護(hù)和抑制電弧放電的電源和伺服策略。研制了由 PWM斬波和全橋逆變回路組成的脈沖電源，設(shè)計(jì)了由人機(jī)界面層、檢測(cè)和控制層、功率放大層

4、和執(zhí)行層構(gòu)成的伺服控制系統(tǒng)，以及內(nèi)沖液式的工作液循環(huán)系統(tǒng)。通過對(duì)內(nèi)沖液式管狀掃描陰極的約束，使得放電集中在陰極端部與陽極表面相對(duì)狹小的空間內(nèi)，獲得幾百倍于常規(guī)微弧氧化的電流密度，從而實(shí)現(xiàn)高效的實(shí)時(shí)成膜效率，同時(shí)有效避免了尖端放電和面積效應(yīng)的出現(xiàn)。
　　掃描式微弧氧化工藝研究。在微弧氧化放電和膜層生長(zhǎng)過程的研究基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究了掃描式微弧氧化的極間電壓、脈沖頻率、占空比等電參數(shù)和工作液濃度對(duì)陶瓷膜層性能的影響規(guī)律，

5、并研究了掃描式微弧氧化特有工藝參數(shù)包括放電間隙、掃描次數(shù)、掃描速度和掃描重疊率等對(duì)陶瓷膜層的影響規(guī)律。
　　研究了掃描式微弧氧化方法的放電和成膜特性。掃描式微弧氧化的電壓與電流關(guān)系與常規(guī)微弧氧化方式不同，通電后電壓瞬間陡升至穩(wěn)定電壓區(qū)，沒有經(jīng)歷常規(guī)微弧氧化的陽極氧化階段，但在放電區(qū)外部依次為陽極氧化區(qū)和鈍化區(qū)。這揭示了掃描式微弧氧化成膜效率高的內(nèi)在原因。陽極表面的放電區(qū)被約束在陰極投影附近，放電區(qū)的膜層生長(zhǎng)瞬間完成，然后隨著陰極的

6、移動(dòng)逐漸完成對(duì)工件表面的處理，區(qū)別于常規(guī)微弧氧化膜層整體隨時(shí)間增厚的現(xiàn)象，掃描次數(shù)是影響掃描式微弧氧化膜層厚度的主要因素，但對(duì)表面質(zhì)量影響不大。掃描式微弧氧化放電區(qū)軌跡之間的過渡區(qū)域的膜層厚度受軌跡重疊率影響。
　　分析了掃描式微弧氧化膜層的組織形貌與性能。研究主要集中在膜層微觀組織與結(jié)構(gòu)，硬度、表面粗糙度、耐腐蝕和耐磨等性能。掃描電鏡檢測(cè)表明單次掃描膜層微孔孔徑較小，分布均勻，膜層較??；多次掃描的微弧氧化膜層可明顯地區(qū)分致密層和

7、疏松層，且致密層比例達(dá)到三分之二左右，膜層微孔數(shù)目較少，孔徑較大。XRD檢測(cè)反映多次掃描提高了膜層的α-Al2O3比例，激光共聚焦檢測(cè)結(jié)果可以證明膜層表面粗糙度比較均勻。耐蝕性能測(cè)試表明單向脈沖掃描式微弧氧化膜層較雙向的耐腐蝕性能好。在低速、高速、輕載和重載等條件下，單次掃描微弧氧化膜層摩擦系數(shù)較小，多次掃描膜層的摩擦系數(shù)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，說明具有更好的耐磨損性能。通過對(duì)掃描式微弧氧化陶瓷膜層的性能的研究，證實(shí)了掃描微弧氧化處理方法的有效性。