變電極結(jié)構(gòu)的微弧氧化放電特性研究.pdf

1、隨著航空、航天事業(yè)的發(fā)展,輕量化設(shè)計(jì)已成為發(fā)展趨勢(shì)。鋁合金以比強(qiáng)度高、密度小、塑性好、無(wú)低溫脆性等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、機(jī)械等領(lǐng)域。然而未經(jīng)強(qiáng)化處理的鋁合金硬度低,且在空氣中易氧化成疏松狀氧化膜,無(wú)法滿足某些應(yīng)用場(chǎng)合的耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗溫度急變等需求,因此必須對(duì)其進(jìn)行防護(hù)處理。微弧氧化是一種表面陶瓷化新型技術(shù),該技術(shù)可在Al、Mg、Ti等輕金屬及其合金表面原位生長(zhǎng)出一層致密的陶瓷層,陶瓷層與基體結(jié)合牢固,結(jié)構(gòu)致密

2、,韌性高,具有良好的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫沖擊和電絕緣等特性,克服了其他同類(lèi)技術(shù)的不足。微弧氧化研究雖然取得了階段性的成果,但高能耗問(wèn)題仍然限制其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。為了降低微弧氧化工藝的能耗并獲得綜合性能較優(yōu)的陶瓷層,本課題對(duì)陽(yáng)極放置方式、陰極對(duì)稱(chēng)性(陰極數(shù)量)、陰極通透性(陰極結(jié)構(gòu))和陰陽(yáng)極之間的電極距離進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究,并在實(shí)驗(yàn)次數(shù)較多且具有危險(xiǎn)性的電極距離研究階段引入有限元軟件進(jìn)行輔助分析,分別采用SEM、XRD、EDS檢測(cè)陶瓷

3、層的顯微結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)和成分含量,得出以下結(jié)論:
　　陽(yáng)極放置方式對(duì)微弧氧化放電特性的影響研究表明,陽(yáng)極采用橫向和豎向兩種方式進(jìn)行微弧氧化時(shí),所獲得的陶瓷層綜合性能(陶瓷層厚度、不均勻性、表面形貌、顯微硬度等)存在一定的差異,與陽(yáng)極豎向放置方式相比,橫向放置模式下的陶瓷層生長(zhǎng)速率更為快速,最終所獲得的較厚的陶瓷層,且中心與邊角的膜厚比更接近1,陶瓷層表面流暢度更高,熱穩(wěn)定相α-Al2O3含量更高。兩種放置方式對(duì)放電特性參數(shù)的影響規(guī)律

4、也不盡相同,起弧電壓幾乎不受陽(yáng)極放置方式的影響,穩(wěn)定電壓值大小相近,但仍存在5V左右差值。所需的平均制備能耗存在很大差異,除了能耗曲線變化趨勢(shì)不一致之外,陽(yáng)極采用橫向放置時(shí)的能耗明顯較小。
　　變陰極結(jié)構(gòu)(陰極數(shù)量和形狀)微弧氧化放電行為表明,在單、雙兩種陰極模式下,采用雙陰極對(duì)稱(chēng)模式時(shí)更易起弧,但其所需的穩(wěn)定電壓整體高于單陰極。與單陰極模式相比,雙陰極電極模式下陶瓷層表面微弧放電更為劇烈,制備的陶瓷層厚度厚且數(shù)值分散性小,平均制

5、備能耗較小。采用單陰極時(shí),陽(yáng)極試樣背對(duì)陰極的一面生成的陶瓷層厚度大于正對(duì)陰極的一面。在電極距離(50 mm)較大的情況下,網(wǎng)狀陰極功效較微弱。與板狀陰極相比,網(wǎng)狀陰極模式下制備的陶瓷層厚度和所需的制備能耗無(wú)太大差距,但穩(wěn)定電壓有所下降,陶瓷層表面存在的微裂紋稍多,顯微硬度也相對(duì)較低。
　　電極距離對(duì)微弧氧化放電特性的影響研究表明,電極距離為70 mm、50 mm和30 mm時(shí),有限元電壓及電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖與實(shí)驗(yàn)總結(jié)的數(shù)據(jù)圖高度一致

6、,即:在其它參數(shù)一定的情況下,隨著陰陽(yáng)極間距逐步減小,溶液表面的分壓逐漸減小,電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。電極距離縮減為10 mm時(shí),電壓與電場(chǎng)強(qiáng)度的模擬與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生分歧,導(dǎo)致這種差異最可能的原因是“氣罩效應(yīng)”。觀察另一種形式下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布發(fā)現(xiàn),常規(guī)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常被檢測(cè)出的“邊角效應(yīng)”,在有限元模擬的過(guò)程中精確的體現(xiàn)出來(lái)。實(shí)驗(yàn)研究其它放電特性發(fā)現(xiàn),隨著電極距離的減小,起弧電壓明顯下降,且降低幅度逐漸增大。電極距離不斷變化的過(guò)程中,膜層表面形貌的變化類(lèi)