鎂合金微弧氧化微區(qū)電弧放電機(jī)理及電源特性的研究.pdf

1、隨著鎂合金越來(lái)越多的應(yīng)用,提高其表面性能的要求日益迫切,作為一種極具潛力的表面處理方法,微弧氧化工藝被廣泛關(guān)注。然而,由于其涉及材料學(xué)、電化學(xué)、電弧物理、電力電子和控制系統(tǒng)等多個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域,是一個(gè)受多種因素影響的高度復(fù)雜的工藝過程,因此,許多問題至今并未給出明確結(jié)論。本文以提高鎂合金的耐蝕性為主要目的,以微弧氧化過程的微弧放電現(xiàn)象、電信號(hào)波形及氧化膜層形貌為研究對(duì)象,采用理論分析加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法,深入研究過程狀態(tài)、膜層特點(diǎn)與電信號(hào)特

2、征的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上,提出微區(qū)電弧放電機(jī)理和模型及其對(duì)電源的要求,并通過負(fù)載特性研究提出負(fù)載適應(yīng)性要求;然后構(gòu)造新型脈沖電源輸出模式,并展開電源模式和參數(shù)的比較研究;最終完成面向工業(yè)應(yīng)用的大功率微弧氧化電源的研制。論文工作主要包括以下內(nèi)容:
　　 參考現(xiàn)存的電源形式,結(jié)合鎂合金微弧氧化工藝特點(diǎn),設(shè)計(jì)并建立了具有多種電源脈沖波形輸出方式的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。以單片機(jī)為核心開發(fā)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電源的輸出波形、伏安特性的調(diào)節(jié),并通過記憶示

3、波器和計(jì)算機(jī),進(jìn)行負(fù)載波形的觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集。
　　 研究了各種電源輸出方式下,微弧氧化實(shí)驗(yàn)中的放電現(xiàn)象與負(fù)載電壓、電流波形的相關(guān)性。認(rèn)為所有的微弧氧化過程,隨電源電壓增加均可劃分為3個(gè)階段:陽(yáng)極氧化、微弧氧化和大弧放電。前者必須經(jīng)歷而且一直伴隨各個(gè)階段;后者為過程的失效狀態(tài),要盡量避免。為此定義了起弧電壓Ua和大弧電壓UL,用來(lái)界定微弧氧化狀態(tài),并作為穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。Ua越低、UL越高則過程越穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)存電源模式

4、中雙極性脈沖電壓輸出方式的穩(wěn)定性最高。
　　 根據(jù)相關(guān)性研究結(jié)果,基于電弧理論提出了微弧氧化微區(qū)電弧放電機(jī)理和模型,將一次獨(dú)立的微弧放電劃分為4個(gè)過程:電解、放電、氧化和冷卻。電解過程進(jìn)行水的電解和陽(yáng)極氧化反應(yīng),依附于陽(yáng)極表面的導(dǎo)電通道,產(chǎn)生以氧氣為主的混合氣體;當(dāng)氣體封閉通道,承受電源電壓而電離,則發(fā)生電弧放電;放電形成的局部高溫將引起金屬的劇烈氧化,氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步提高局部溫度,使放電愈加劇烈,這種自我強(qiáng)化作用使放電

5、和氧化瞬間完成,形成“雪崩”效應(yīng),局部高溫將導(dǎo)致氧化物熔融并噴出通道;當(dāng)氣體被氧化反應(yīng)消耗殆盡時(shí),放電和氧化過程戛然而止,巨大的溫差使熔融物急劇冷卻收縮,金屬基體具有更高的導(dǎo)熱率,故留下向內(nèi)的收縮孔。一次微弧放電將導(dǎo)致一個(gè)微區(qū)熱循環(huán)過程,其升溫快速而集中,隨電弧熄滅迅速轉(zhuǎn)入冷卻過程。微弧氧化的膜層特點(diǎn)和大弧現(xiàn)象,都無(wú)不與微區(qū)熱循環(huán)密切相關(guān)。
　　 基于微區(qū)電弧放電和熱循環(huán)機(jī)理推斷,起弧電壓隨電解液離子濃度升高、溫度升高而降低,隨

6、膜層厚度的增加而升高;大弧傾向隨電解液溫度升高、電源電壓升高而增加,隨脈沖占空比的減小而降低。這些推斷均被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于微區(qū)電弧放電和熱循環(huán)機(jī)理,結(jié)合負(fù)載電壓波形定義了燃弧時(shí)間ta和冷卻時(shí)間tc,認(rèn)為大弧現(xiàn)象是由tc不足造成。據(jù)此提出了微弧氧化電源的基本要求,并給出一種理想的電壓波形。
　　 對(duì)雙極性脈沖電源中負(fù)電壓作用的研究發(fā)現(xiàn),其抑制大弧放電傾向的能力,緣于電源電路中斬波器通斷時(shí)序所帶來(lái)的負(fù)載電容旁路效應(yīng),而與負(fù)電壓大小無(wú)關(guān)

7、。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均未找出負(fù)電壓存在的理由,故雙極性電源中負(fù)脈沖的唯一效用,就是抑制大弧傾向,使其部分滿足了微弧氧化電源的要求。
　　 微弧氧化的膜層是金屬氧化物堆積形成,由一系列離散的微區(qū)電弧放電引發(fā)。瞬間完成的微小區(qū)域內(nèi)的電弧放電所產(chǎn)生的光熱輻射,加之由其導(dǎo)致的劇烈的金屬氧化反應(yīng)所釋放的熱量,致使放電區(qū)域瞬時(shí)形成局部高溫,使生成的氧化物熔融、經(jīng)歷驟熱驟冷,并伴隨重熔和快速凝固,從而獲得具有非平衡組織結(jié)構(gòu)的金屬氧化物膜層。隨

8、時(shí)間延長(zhǎng)和電壓增加,微弧氧化膜層生長(zhǎng)可分為早、中、后3個(gè)時(shí)期。早期存在大量的淺層導(dǎo)電通道,故放電弧斑小而多,膜層表面平整致密、收縮孔均勻細(xì)小,但成膜速率較低;中期,淺層通道逐漸封閉,放電弧斑逐漸增大且變稀疏,膜層均勻性和致密度下降、粗糙度增加,小孔尺寸變大數(shù)量減少,此時(shí)成膜速率為最高;后期將以深層導(dǎo)電通道放電為主,弧斑更大更少,膜層表面不均勻、粗糙且疏松,并可能伴生突起的熔融物和由應(yīng)力集中導(dǎo)致的微裂紋,成膜速率也將下降。
　　

9、熱力學(xué)分析表明,微弧氧化使鎂合金表面的自由能降低,整體上屬于放熱反應(yīng)。電源消耗的電能和反應(yīng)產(chǎn)生的熱量,最終都將轉(zhuǎn)化為電解液的溫度上升。動(dòng)力學(xué)分析認(rèn)為,電源電壓是微弧氧化的工作條件,電流是其狀態(tài)和程度的反映。膜層生長(zhǎng)速度在一定范圍內(nèi)隨電壓和電流單調(diào)增長(zhǎng),但不能用一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確描述。
　　 微弧氧化的負(fù)載特性呈現(xiàn)極強(qiáng)的電容性,可用3個(gè)電阻和2個(gè)電容構(gòu)成的電路模型來(lái)等效,進(jìn)一步可簡(jiǎn)化為2個(gè)電阻和1個(gè)電容的一階RC系統(tǒng)。用負(fù)載

10、電壓和電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬分析,結(jié)果印證了這一結(jié)論。強(qiáng)電容性使負(fù)載電壓波形不易滿足微弧氧化的基本要求,同時(shí)會(huì)造成電源系統(tǒng)的電流沖擊,故必須解決這兩方面的電源適應(yīng)性問題。前者可通過增加強(qiáng)制放電回路,促使負(fù)載電壓快速泄放來(lái)實(shí)現(xiàn);后者則應(yīng)在電源電路設(shè)計(jì)時(shí),考慮對(duì)其限制或采取相應(yīng)吸收保護(hù)措施。
　　 基于對(duì)負(fù)載電壓波形的要求和負(fù)載電容性的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新的微弧氧化電源模式,即帶放電回路的脈沖電源,并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上加以實(shí)現(xiàn)。通過構(gòu)造放

11、電回路,新型電源支持自然放電、不完全放電和完全放電3種工作方式,后者的燃弧時(shí)間和冷卻時(shí)間可通過斬波器時(shí)序精確控制,有效解決了大弧放電問題。比較研究的結(jié)果證明,帶放電回路的電源比雙極性脈沖電源,更適合鎂合金微弧氧化化工藝。主要表現(xiàn)在:過程穩(wěn)定性好,參數(shù)可控性優(yōu),放電弧斑均勻;其成膜效率、膜層表面質(zhì)量和耐蝕性,大部分情況下均優(yōu)于雙極性電源。
　　 電源加載方式和參數(shù)對(duì)微弧氧化過程影響顯著?？蛇x擇電壓增量和恒定電流兩種方式加載,起弧電

12、壓之上,當(dāng)電壓增量取5V/min～15V/min,或恒定電流為4A/dm2～12A/dm2時(shí),過程的綜合性能最好;取值過大會(huì)使膜層質(zhì)量變差,過小則成膜效率變低。脈沖頻率和占空比的合理取值范圍分別為500Hz～800Hz和20％～30％。
　　 面向工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)了新型大功率微弧氧化脈沖電源主電路,通過IGBT并聯(lián)和吸收、保護(hù)等措施,解決了輸出電流的沖擊問題,使功率電子器件可靠運(yùn)行。以16位高性能單片機(jī)80C196KB為核心,研制了