鋁合金表面微弧氧化陶瓷膜生成及機(jī)理的研究.pdf

1、微弧氧化技術(shù)又稱為微等離子體氧化技術(shù)或陽(yáng)極火花沉積技術(shù)，這是一種在閥金屬及其合金表面通過(guò)微等離子體放電，進(jìn)行復(fù)雜的電化學(xué)、等離子化學(xué)和熱化學(xué)過(guò)程，原位生長(zhǎng)氧化物陶瓷膜的新技術(shù)。利用此項(xiàng)技術(shù)形成的表面膜層與基體的結(jié)合力強(qiáng)、硬度高、耐磨性、耐蝕性、抗熱震性高，膜層電絕緣性好、擊穿電壓高。不僅如此，該技術(shù)采用能量密度極高的微等離子弧加熱的先進(jìn)加熱方法，基體組織結(jié)構(gòu)不受影響，且工藝不復(fù)雜，不造成環(huán)境污染，是一項(xiàng)很有前途的材料表面處理新技術(shù)，正成

2、為國(guó)際材料表面工程技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。俄羅斯、美國(guó)、英國(guó)及日本等國(guó)對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)的研究十分重視。
　　鋁合金表面的微弧氧化是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，包含初期氧化膜的電化學(xué)形成，以及后續(xù)的陶瓷膜擊穿，其中包含熱化學(xué)、電化學(xué)以及光、電、熱等物理作用，并且這一過(guò)程受基體本身的材質(zhì)、電源參數(shù)以及電解液的參數(shù)影響，很難在線監(jiān)測(cè)，這就為理論研究帶來(lái)困難。因此，到目前為止，仍沒(méi)有一種理論模型能圓滿地解釋各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)其機(jī)理研究仍需進(jìn)一步的探索和完善

3、。
　　本文通過(guò)對(duì)鋁合金表面微弧氧化陶瓷膜的生成機(jī)理、工藝規(guī)律、工藝試驗(yàn)及生成陶瓷膜特性的系統(tǒng)研究，以求進(jìn)一步掌握和了解鋁合金表面微弧氧化加工新技術(shù)，為推進(jìn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和深層次的研究打下良好的基礎(chǔ)。
　　微弧氧化過(guò)程的機(jī)理是這一技術(shù)的理論基礎(chǔ)，本文首先對(duì)鋁合金表面微弧氧化生成陶瓷膜的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，提出了微弧氧化過(guò)程的機(jī)理模型。認(rèn)為由于在微弧放電通道內(nèi)氣體壓力較高，在此壓力范圍內(nèi)電子不可能被電場(chǎng)充分加速，其能量經(jīng)碰撞被

4、高密度的氣體分子有效地吸收而變成熱能，使體系達(dá)到熱平衡，此時(shí)電子的溫度Te和氣體的溫度Tg相同，即Te=Tg。
　　微弧氧化過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體主要為氧的等離子體，孔底的氧氣泡首先被擊穿，產(chǎn)生氧的等離子體，這一過(guò)程產(chǎn)生的自由電子和焦耳熱，又引發(fā)孔底氧化膜的雪崩擊穿，氧化膜的擊穿可以認(rèn)為發(fā)生在阻擋層有瑕疵的弱斑上，這個(gè)弱斑是陽(yáng)極氧化時(shí)氧化膜產(chǎn)生晶格缺陷的地方。
　　整個(gè)放電通道的等離子體在電場(chǎng)的作用下發(fā)生正離子的遷移，在陰極處

5、（溶液與陶瓷膜的界面）留下正的空間電荷，這些空間電荷增大了陰極的電子場(chǎng)發(fā)射，以此來(lái)保證電流的連續(xù)性并且使雪崩可能發(fā)展到足以引起持續(xù)的擊穿。
　　氧等離子體中存在著激發(fā)態(tài)的氧分子和氧原子，這些都是活性物質(zhì)，在微弧氧化過(guò)程中起著重要的作用。用高速快門的照相機(jī)（快門速度為1s/1000）拍下了陽(yáng)極表面的放電點(diǎn)狀況?？梢钥闯?，工件表面同時(shí)放電的通道數(shù)量很多。
　　分析了氧析出的電極過(guò)程，并通過(guò)成分分析推斷了在電極上發(fā)生的反應(yīng)。以最簡(jiǎn)

6、單的KOH電解液體系為例，對(duì)微弧氧化的總反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程分析，計(jì)算總反應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度T=4151K=3878℃。在反應(yīng)體系的溫度沒(méi)有超過(guò)這一溫度時(shí)，總反應(yīng)都在正向進(jìn)行，即向生成陶瓷膜的方向進(jìn)行。這也比較符合研究人員對(duì)放電通道溫度的推測(cè)。并解釋了相關(guān)的試驗(yàn)現(xiàn)象。
　　針對(duì)目前對(duì)微弧氧化過(guò)程的影響因素和陶瓷膜性能研究不是很系統(tǒng)，并且不同電源模式下影響因素表現(xiàn)不同、得到的陶瓷膜的性能也不同這一情況，本文采用性能較好的正負(fù)交變雙極性脈沖電源，對(duì)

7、微弧氧化過(guò)程的影響因素和陶瓷膜的性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)、深入的研究，主要將膜層的厚度、致密層的硬度和致密層在總膜厚中所占的比率作為評(píng)價(jià)陶瓷膜性能的指標(biāo)，來(lái)研究電源參數(shù)、電解液參數(shù)、基體材質(zhì)、氧化時(shí)間、溫度因素等對(duì)微弧氧化結(jié)果的影響，通過(guò)試驗(yàn)研究，了解了鋁合金微弧氧化過(guò)程的基本規(guī)律。
　　對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所得到的陶瓷膜進(jìn)行特性分析，包括應(yīng)用掃描電鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）等手段，對(duì)陶瓷膜的微觀結(jié)構(gòu)、相組成及膜層成份進(jìn)行分析；對(duì)陶瓷膜

8、的性能也進(jìn)行了研究，主要研究陶瓷膜的耐腐蝕、耐摩擦性能，并對(duì)其力學(xué)性能及其對(duì)基體的力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究。試驗(yàn)中還用微弧氧化生成的陶瓷薄層取代鋁合金工件涂裝過(guò)程中的底漆，取得了良好的效果。
　　設(shè)計(jì)研制了一套鋁合金工件內(nèi)腔表面微弧氧化裝置，在鋁合金工件的內(nèi)腔表面進(jìn)行微弧氧化試驗(yàn)，取得了較理想的效果。為鋁合金工件的內(nèi)腔微弧氧化提供了一個(gè)新的思路。
　　在本文的研究過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了用兩個(gè)工件分別作為交變的正負(fù)兩極的對(duì)稱交替微弧氧化