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陶瓷膜層的表面改性技術(shù)，具有工藝簡單、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，針對上述存在的問題，本文通過大量實(shí)驗(yàn)對微弧氧化放電過程尤其是對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過程的研究基礎(chǔ)上，對實(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)的膜層生長瞬間完成，然后隨著陰極的

6、移動逐漸完成對工件表面的處理，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檢測反映多次掃描提高了膜層的α-Al2O3比例，激光共聚焦檢測結(jié)果可以證明膜層表面粗糙度比較均勻。耐蝕性能測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，說明具有更好的耐磨損性能。通過對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。