能量输出模式对镁合金微弧氧化陶瓷层生长过程的影响.doc

第一章 前言1.1镁合金的特性及其应用现状1.2 微弧氧化的研究现状及应用前景1.3 本实验的研究目的及意义第二章 实验方法以及设备仪器2.1 本课题研究的主要内容2.2 实验方法及步骤2.3 实验试样及制备方法2.4 微弧氧化设备简介2.5 检测设备及检测分析原理第三章 实验数据及分析3.1脉宽对微弧氧化陶瓷层的影响3.2脉数对微弧氧化陶瓷层的影响3.3 峰值电流密度对微弧氧化陶瓷层的影响3.4 等电通量下参数对微弧氧化的影响第四章 结论第一章 前言1.1镁合金的特性及其应用现状材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱,发展格外迅猛。随着现代工业及科学技术的发展,人们对材料的要求越来越高，相对于第一大材料钢铁材料而言,镁铝及其合金具有质轻、塑性大及易加工成型等诸多优点,在适用性上已成为仅次于钢铁的第二大材料。镁合金的其它特性如下：1、高阻尼性纯镁的阻尼性能极好，如Mg-Zr阻尼合金，其阻尼性能不仅高于常用的铝合金，甚至比灰铸铁还高。因此，对于重复、连续运动的零部件，采用镁合金材料可以吸收振动，延长零件的使用寿命。2、尺寸稳定性镁合金不需要退火和消除应力就具有较高的尺寸稳定性，具有稳定的收缩率，体收缩为6%，是铸造金属中收缩量最低的一种。大多数镁合金在热处理过程及长期使用中由于相变而引起的尺寸变化接近于零，在负载的情况下，又具有良好的蠕变强度，对发动机零件和发动机压铸件具有重要意义。3、抗冲击和抗压缩能力镁合金具有吸收弹性能的特性，能产生良好的冲击强度与压缩强度的组合，这是旋转草坪割草机盖采用镁合金压铸件的原因之一。4、电磁相容性镁合金具有良好的电磁屏蔽性能，采用镁合金制造的电子产品外壳不需要做导电处理，就能获得良好的屏蔽效果。此外，镁合金还适合用作发出电磁干扰的电子产品的壳罩，尤其是紧靠人体的手机和电脑等产品。5、优良的切削加工性能镁合金具有很好的切削性能，其切削速度远远高于其它金属，可以采用高速、大进给量切削;低的切削力、良好的导热性能、快速的散热等优点可使刀具的寿命与切削铝合金相比可延长4-5倍，同时也减少了停机换刀时间。6、无污染易于回收镁金属及其合金是一种环保型材料，对环境几乎没有污染。由于镁的熔化潜热比铝要低的多，回收比铝合金消耗的能量少，因而镁及其合金是易于回收的金属材料，所有目前使用的镁合金均可以回收。其废料回收利用率高达85%以上，回收利用的费用仅为相应新材料价格的4%左右。7、散热性好镁在20时的体积热容为178J/(dm K)，相对来说，镁的体积热容比其他所有的金属都低。此外，合金元素对镁热容的影响不大，因此镁及其合金的一个重要特性是加热升温与散热降温都比其他金属快，甚至也比铝合金更胜一筹，工程塑料更是无法与之相比。8、高电负性镁在NaCl溶液中的电位势HE=-2.37V，这在所有的结构金属中是最低的，根据阴极保护原理，人们把镁及镁合金作为牺牲阳极，保护大型工程中的钢铁构件。目前，镁阳极的制备已经形成了一个较为成熟的行业。正是由于镁合金有诸多优点，且世界各国对能源和环境保护日益重视的背景下，因此镁合金已成为目前国内外重新认识并积极开发的一种新型环保材料，被认为是21世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”。镁合金具有许多的优良特性，这使得它在汽车，航空航天、电子通讯、军事及核能等许多领域中有着广泛的应用件。我国铸造镁合金主要有Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和Mg-Al-Zn三个系列。长期以来，由于镁的价格偏高、镁合金熔液易于氧化燃烧和镁合金材料的耐蚀性差等限制了其在民用工业的大规模应用。进入20世纪90年代后，随着镁冶炼技术的不断提高，镁及镁合金的价格迅速下降，镁合金熔液保护技术更加成熟，高纯镁合金材料耐蚀性的大幅度提高，以及人们对能源和环境保护的高度重视，镁合金成为迅速崛起的一种工程材料，用量每年以15%的速率保持快速增长，远远高于铝、铜、锌、镍和钢铁的增长速度，这在近代工程金属材料的应用中是前所未有的。正是由于镁合金的这种发展潜力和应用优势，使得镁合金应用技术与开发研究受到发达国家和政府部门的高度重视。随着镁合金产量的不断提高，价格的不断降低，镁合金的一些其他用途也更加引起了人们的注意。用镁合金作为牺牲阳极是有效防止金属腐蚀的一种重要方法，现已广泛应用于长距离输送底下的钢制管道、石油储罐、海洋钻井平台和码头等设施。目前用作牺牲阳极的镁合金每年有3-4万吨。镁合金型材、管材，以前主要用于航空、航天等尖端或国防领域。近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高，其生产成本有可能下降到与铝合金相当的程度，这会极大地刺激其在民用领域的应用。例如，可用其制作其行车架、医疗器械、健身器材、照相机壳、自行车、网球拍和航空器上的通信设备等产品。中国是镁的资源大国、生产大国和出口大国，但却不是镁的“强国”。之所以不强，就在于中国有关镁合金的开发、研究还没有真正的开展起来，更没有形成镁合金的深加工和应用的产业。中国在十五计划中，也将有关镁和镁合金的开发、应用与产业化列入了国家科技攻关计划和“863”计划。这显示着中国镁的开发和应用已经开始进入了一个新的发展时期，正朝着健康、强大、可持续发展的目标迈进。1.2 微弧氧化的研究现状及应用前景微弧氧化，又称为等离子微弧氧化、微等离子微弧氧化。国外文献中通常称之为等离子体电解氧化，也有文献称为微弧放电氧化，但国内一般称之为微弧氧化。微弧氧化技术是近年来兴起的一种表面处理新技术。它是在Mg、Al、Ti、等阀金属或其合金表面原位生长陶瓷膜的一种新技术。微弧氧化突破了传统阳极氧化技术的限制，工作电压由几十伏提高到几百伏，氧化电流由小电流发展到大电流，使工件表面出现电晕、辉光、火花放电、微弧放电等现象，这种微区放电现象在阳极表面不同的位置不断重复出现，并且随着过程的进行，放电火花的形态、颜色、和数量都发生明显变化，最终在材料表面生成一层致密的陶瓷膜。该膜与基体结合力强、厚度可控制，并且处理工件尺寸变化小，极大改善了合金的耐磨损、耐腐蚀、抗热冲击及绝缘性能。 微弧氧化是阳极氧化技术的发展，其实质仍是较高电压下的阳极氧化，但其成膜过程涉及电化学、热化学及等离子体化学等的共同作用，成膜机理更趋复杂。微弧氧化在阳极区产生微弧放电，火花在时间为1-2s，火花放电使阳极金属表面局部温度升高，微区温度一般高于1000，从而使阳极氧化物熔覆在金属表面，形成陶瓷质的阳极氧化膜，大大提高了阳极氧化膜的硬度、致密性和耐蚀性。 从基体合金上看，研究主要集中在铝、钛、镁合金上。所研究的铝合金主要有Al-Cu-Mg、Al-Si-Mg、Al-Zn-Mg、Al-Si、Al-Mg、Al-Cu-Zn-Mg等。在钛合金基体上进行微弧氧化处理主要是为了制备具有催化、生物活性等功能的膜层，基体合金成分主要是Ti-6Al-4V，也有报道用纯钛作为基体。镁合金的微弧氧化处理主要是解决耐蚀性问题。所研究的镁合金主要有:纯镁、AZ91、AZ31、AM60、SiCw/AZ91。近来有文献报道了钢铁表面通过电弧喷涂或热浸镀铝层后进行微弧氧化处理，从而扩大了微弧氧化的应用范围。 从电解液选择上看，电解液是获到合格膜层的技术关键。它可以是酸性的，也可以是碱性的。但目前多采用含有一定金属或非金属氧化物碱性盐溶液(如硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等)，并通过添加无机及有机添加剂改变微弧氧化膜层的成分，进而实现膜层性能的可设计性。实际选用电解液时不能简单的根据电解液的酸碱度、导电性大小、粘度、热容量等理化因素来确定，还要考虑被处理的基体合金材料，选用的电解液应对合金及其氧化膜具有一定的溶解和钝化作用。相同的微弧电解电压下，电解质浓度越大，成膜速度就越快，溶液温度上升越慢，反之，成膜速度较慢，溶液温度上升较快。不同的电解液成分及氧化工艺参数，所得膜层的性质也不同。工艺控制方面，有恒电压微弧氧化法和恒电流微弧氧化法两类，一般采用恒电流法，因为此法省时且易于控制。近来较为流行的是采用阶梯降流法控制微弧氧化过程。目前，在世界范围内，各研究单位各具特色，总体上国外研究水平高于国内。国外的研究机构在微弧氧化的机理、过程、参数控制、彩色膜层及微弧氧化膜的结构、性能、应用等方面都做了大量的研究和探讨。但无论国外还是国内，都没有进入大规模的工业应用阶段。俄罗斯在研究规模和水平上处于世界领先地位己取得了很多成果，在机理上提出了自己完整的理论，并且已经开始在航空发动机、汽车发动机、纺织机械上进行应用。 我国从20世纪90年代开始关注此技术，目前仍处于起步阶段，在引进吸收俄罗斯技术的基础上，现在也开始由耐磨、装饰性涂层的形式走向实用阶段。主要对铝合金微弧氧化的制备过程、工艺条件、膜层的形貌结构进行了研究。从国内各研究单位发表的文章来看，对微弧氧化的研究大多集中在铸铝及硬铝合金上，对镁合金的微弧氧化则研究较少。研究内容大多是关于膜层性能(厚度、耐磨性、硬度等)及成膜因素分析，也有部分关于复合膜层(如减磨膜层)制备、微弧氧化理论介绍及探索性文章。 微弧氧化技术具有工艺简单，效率高，环保等其他表面处理技术不可比拟的技术优势，通过这种技术在合金表面生成的陶瓷曾具有独特的优异性能。虽然目前微弧氧化技术在国内外均未进入大规模工业应用阶段，但该技术生成陶瓷膜的特点决定了其特别适用于高速运动且对耐磨耐腐蚀性能要求高的零部件处理，如发动机的活塞、石油工业管道的闸阀、水泵零件等部件。此外，在军工、航空航天、机械制造业、纺织工业、民用品生产等许多领域，微弧氧化技术都有广泛的应用前景。表1-1列举了微弧氧化陶瓷膜层的应用领域。表1-1 微弧氧化膜层应用领域应用领域举例所用性能航空、航天、机械、汽车轴、气动元件、发动机耐磨性石油、化工、造船、医疗管道、阀门、Ti合金人工关节耐蚀性耐磨性纺织机械纺杯、压掌、滚筒耐磨性电器电容器线圈绝缘性兵器、汽车贮药仓、喷嘴耐热性建材、日用品装饰材料、电熨斗、水龙头耐磨、耐蚀、色彩海洋舰艇耐蚀性医疗钦合金牙托、骨组织内强化丝生物相容性 综上所述，微弧氧化技术对合金表面性能有明显改善，该技术己引起国内外材料研究者的密切关注，是当前及今后一段时间内表面处理领域的研究热点，并且微弧氧化膜层以其优异性能必将在民用领域获得广泛应用。1.3 本实验的研究目的及意义材料的重要性已经得到人类的认可，镁合金因其优异的特性备受人们关注，特别是成型与表面处理技术的复合应用，给予这种轻质材料及其合金良好的表面耐磨及保护特性，使其应用领域进一步扩展，成为21世纪的支柱材料之一。为了提高材料的综合性能，人们常常采用表面改性的方法，等离子体微弧氧化技术便应运而生。对金属及其合金进行等离子体微弧氧化，可以在保证原金属材料使用性能的前提下，赋予其一些其它表面技术所无法得到的特殊性能，拓宽其适用范围，使等离子体微弧氧化技术成为一项高新技术。微弧氧化技术生成陶瓷膜的特点决定了其特别适合于对高速运动且耐磨、耐蚀性能要求高的部件处理，解决了成本问题，研究工作必将取得突破性进展。该技术在军工、航空航天、机械、医疗、电子、装饰等许多领域的应用前景将更加广阔。镁合金的微弧氧化即为置于有脉冲电场作用的氧化槽中的镁合金样品在微弧放电瞬间，其表面的镁原子向氧化镁陶瓷相转化的一个过程，理论上属于仅消耗电解液中氧元素的轻合金表面陶瓷化技术，因此，有“既不消耗阴极又不消耗电解液中溶质元素的清洁处理技术”之称；然而，目前众多的研究工作多集中于微弧氧化陶瓷层的物相结构和性能特点的分析与表征，缺少对镁合金微弧氧化陶瓷层形成与生长的电量消耗机制和降低电量消耗途径的理论探讨，导致陶瓷层形成与生长过程中的电量消耗远高于镁合金制品所能承受的表面处理成本，严重制约这一技术的推广应用。因此，系统研究镁合金微弧氧化陶瓷层形成与生长过程中的电量消耗机制、探讨降低其电量消耗的技术原理显得很有必要，这将为为低能耗微弧氧化专用电源的主电路设计、处理过程中电参量的输出模式制定提供理论支撑。电量消耗占镁合金微弧氧化处理成本的80%以上、且因当前消耗水平偏高而严重制约此性能优异环境友好的镁合金表面处理技术的应用推广这一关键问题，陶瓷层生长增厚期间金属镁原子向氧化镁陶瓷相转化过程中全部脉冲所承载的集合电量Q( )构成微弧氧化处理的主要成本，而这种电量消耗的当前水平又远高于镁合金制品行业所能承受的表面处理成本。因此，降低微弧氧化陶瓷层形成与生长过程中的电量消耗便成为该技术得以推广应用所急需解决的关键问题，故，很有必要在科学层面探明微弧氧化陶瓷层形成与生长的电量消耗机制及可能的降耗途径。第二章 实验方法以及设备仪器2.1 本课题研究的主要内容本课题从改变参数出发，分别研究了脉宽、脉数及电流密度对陶瓷层的厚度、表面形貌及能量损耗的影响。具体包括以下内容：1、脉宽对陶瓷层的影响规律，首先选取脉数与单位面积峰值电流密度为固定值，改变脉宽进行微弧氧化处理，观察其对陶瓷层的影响。2、脉数对陶瓷层的影响规律，首先选取脉宽与单位面积峰值电流密度为固定值，改变脉数进行微弧氧化处理，观察其对陶瓷层的影响。3、峰值电流密度对陶瓷层的影响规律，首先选取脉数与脉宽为固定值，改变单位面积峰值电流密度进行微弧氧化处理，观察其对陶瓷层的影响。2.2 实验方法及步骤1、准备试样（AZ31镁合金,试样大小50mm50mm3mm）。2、在材料学院微弧氧化实验室最新研制的微弧氧化上进行微弧氧化实验，初始实验条件为：脉数 550，脉宽15us，单位面积峰值电流密度50A/dm2 。在此参数下进行微弧氧化，并记录电压随时间的变化。实验一开始就纪录数据前1分钟是5秒纪录一次1分钟到两分钟是10秒纪录一次往后是30秒纪录一次。一直纪录到起弧后的5分钟。3、改变实验参数进行试验并记录试验数据(1)、增大脉数（脉数分别为550， 1100，1650，2200）其他参数不变；（2）增大脉宽（脉宽分别为15us ，30us， 60us，90us）其他参数不变；（3）增大电流密度（分别为50 A/dm2，100 A/dm2，200 A/dm2，300 A/dm2，400 A/dm2）其他参数不变。4、在相同的实验参数条件下进行微弧氧化，控制氧化时间，观察不同时间长度下陶瓷膜层的区别。5、分析实验结果，并分析各种参数对于陶瓷膜层的影响以及能量损耗的区别。2.3 实验试样及制备方法1、试样材料实验材料为AZ91镁合金，其化学成分(质量分数)为：表2-1镁合金化学成分成分MgAlMnZn含量余量8.560.820.41图2-1 试样形状示意图2、试样尺寸本课题中，考虑到尽可能大的处理面积以排除计算能量消耗率时的系统误差，故试验究中采用铝板试样的尺寸为50mm50mm3mm，分别在各个试样上边缘中部钻出2.8的通孔用于连接阳极。 其示意图如图2-2所示。 3、试样制备在本课题中先将镁合金板材用剪板机剪成成所需尺寸的试样,接着在镁合金试样靠近一侧边缘的中间部位钻2.8 的圆孔，以便微弧氧化时与电极连接,在将试样用400#砂纸去掉边缘毛刺，氧化膜，打磨掉棱角以便减少尖端放弧现象。然后用1000#砂纸将表面磨光。2.4 微弧氧化设备简介微弧氧化装置简图如图2-3，其中主要部分为脉冲电源和微弧氧化槽两大部分。电源为金属表面微弧氧化专用纯方波窄脉冲直流电源，是一种高压大电流输出的特殊电源设备，采用电压控、脉数(502 000Hz)和平均电(0100 A)均可调节，平均电流的大小通过调节脉冲的占空比来控制。电源要设置恒电压和恒电流控制装置，输出波形视工艺条件可为直流、方波、锯齿波等波形。图2-2 微弧氧化装置简图本课题采用材料学院最新研制的MAO-4型微弧氧化电源柜，相比于前几代电源，新型电源用脉宽和脉数取代了原先的占空比和脉数，脉宽指一个脉冲时间内的导通时间，而脉数指的是一分钟内所通过的脉冲个数。在能量输出上，新型电源采用的直流输出，恒流控制的输出模式。新型电源的输出范围：平均电流0-8A，峰值电流密度0-550A，电压0-1500V，脉数550-2500。试验阳极为工件，阴极材料采用不溶性金属材料。由于微弧氧化电解液多为碱性液，故阴极材料可采用碳钢，不锈钢或镍。其方式可采用悬挂或以上述材料制作的电解槽作为阴极。由于微弧氧化过程中工件表面具有较高的氧化电压并通过较大的电解电流，使产生的热量大部分集中于膜层界面处，而影响所形成膜层的质量，因此微弧氧化必须使用配套的热交换制冷设备，使电解液及时冷却，保证微弧氧化在设置的温度范围内进行所以必须配备热交换和制冷设备，可将电解液采用循环对流冷却的方式进行，既能控制溶液温度，又达到了搅拌电解液的目的。 2.5 检测设备及检测分析原理1、场发射扫描电子显微镜观察微弧氧化铝板表面陶瓷层的微观形貌使用的仪器是本校现代分析测试中心的JEM-6700F场发射扫描电子显微镜如图2-4。该设备由日本电子株式会社(JEOL)生产。图2-3 JEM-6700F场发射扫描电子显微镜（1） 工作原理 用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末颗 粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的能量为5 35keV 的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺 序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集 转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。场发射扫描电子显微镜的主要特点是可观察试样的各个区域的细节，试样在样品室中可动的范围非常大：工作距离大（可大于20mm），焦深大（比透射电子显微镜大10倍），样品室的空间也大。因此，可以让试样在三度空间内有6个自由度运动（即三度空间平移、三度空间旋转），且可动范围大，这对观察不规则形状试样的各个区域带来极大的方便。扫描电子显微镜的另一个重要特点是景深大，图象富立体感。扫描电子显微镜的焦深比透射电子显微镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息。场发射扫描电子显微镜还可以进行从高倍到低倍的连续观察，放大倍数的可变范围很宽，且不用经常对焦。扫描电子显微镜的放大倍数范围很宽（从5到20万倍连续可调），且一次聚焦好后即可从高倍到低倍、从低倍到高倍连续观察，不用重新聚焦。（2） 主要特点 采用冷场发射电子枪，具有电子束斑直径小、束流强度大，可大幅度提高电镜的分辨率，并配备有高性能X射线能谱仪(Oxford INCA)和数码成像系统，在图像分析的同时可对试样成分进行分析，并可给出成分的点、线、面分布，并给出数码图像。（3） 仪器功能及指标 二次电子分辨率： 1nm； 背散射电子分辨率：3nm； 最大放大倍数：650000； 能谱分辨率：133eV； 可分析元素： 5(B)92 (U)；（4） 主要应用领域场发射扫描电子显微镜，广泛用于生物学、医学、金属材料、高分子材料、化工原料、地质矿物、商品检验、产品生产质量控制、宝石鉴定、考古和文物鉴定及公安刑侦物证分析。可以观察和检测非均相有机材料、无机材料及在上述微米、纳米级样品的表面特征。该仪器的最大特点是具备超高分辨扫描图像观察能力，尤其是采用最新数字化图像处理技术，提供高倍数、高分辨扫描图像，并能即时打印或存盘输出，是纳米材料粒径测试和形貌观察最有效仪器。也是研究材料结构与性能关系所不可缺少的重要工具。2、涡流测厚仪（1） 测量原理电涡流测厚法主要应用于金属基体上各种非金属涂镀层无损伤的测量。利用高频交流电在作为探头的线圈中产生一个电磁场，将探头与覆盖层接触时，就在金属材料中形成涡流，并对测头中的线圈产生反馈作用，且随与金属体的距离减小而增大，该涡流会影响探头线圈的磁通，故此反馈作用量是表示探头与基体金属之间间距大小的一个量值，因为该测头用在非铁磁金属基体上测量覆层厚度，所以通常我们称该测头为非磁性测头。非磁性测头一般采用高频高导磁材料做线圈铁芯，常用铂镍合金及其它新材料制作。为了使得到陶瓷层的厚度更为准确，对试样两面各取5个测量点，取10个点厚度的平均值作为陶瓷层厚度。（2） 特点自动校准 测量前先校正零点，仅按校正键即可自动校准，关机后校准数据自动存储，重新开机后可直接测量。自动纠错 按两次键即可排除因误操作或外界干扰造成的显示混乱及无显示等故障。数据统计 自动将测量数据分组统计，输出5个统计数据， 即：平均值、最大值、最小值、标准偏差及测量次数。电源控制 电池欠压提示,停用2分钟后及电池电压过低时可自动关机。（3）主要技术参数 分辨率0.1um； 量程0100m； 精度3%0.5m； 功耗0.06W，一节9V电池可连续使用23个月； 外形尺寸163mm93mm36mm； 重量350g。（4）校准的原则没有覆层的校准试样与被测物的基材应：成分相同，厚度相同有相同的曲率半径，如被测面积小于仪器技术参数的要求（直径约20mm以下），还应有相同的被测面积。如覆层含有导电成份，校准试样的覆层也应与被测物的覆层有相同的导电性能。校准试样的覆层经过其它（包括有损测试方法）测试后标定厚度或用已标定的校准薄片做覆层，就可以在其上面按说明书的方法校准测厚仪。校准后就可以在被测产品上进行快速无损检测。校准薄片一般用三醋酸酯薄膜或经苯酚树脂浸渍过的硬纸。（5）应用范围原则上所有导电体上的非导电体覆层均可测量。主要用于测量铝型材表面的氧化膜及涂层厚度，也可用于测量建筑用铝单板、铝塑复合板表面氟碳涂层的厚度及其他铝制工件的阳极氧化膜厚度。特别适用于在生产现场、 销售现场或施工现场对产品进行快速而非破坏性的膜厚检查。 可用于生产检验、验收检验和质量监督检验。第三章 实验数据及分析将试样放入电解液中，当回路中有电流通过时，阴极和阳极的表面便发生电化学反应，产生气体。试样表面发生火花放电现象之前，首先发生阳极氧化，其结果是在试样的表面形成一层氧化膜(MgO)如图3-1所示，阳极表面产生的气体一部分逸出，一部分存在于氧化膜的孔洞之中；继续提高处理电压,在气泡两端电压达到一定值时，该气泡被击穿，产生火花放电，这种情况便被定义为起弧，此时的处理电压称为试样的起弧电压。此时的试样表面形貌如图3-2所示。图3-1 微弧氧化起弧前试样表面形貌图3-2微弧氧化起弧时试样表面形貌3.1脉宽对微弧氧化陶瓷层的影响1、脉宽对微弧氧化陶瓷层厚度的影响脉宽是指单个脉冲持续放电时间，是微弧放电的时间。为了更加精确，我们这里的陶瓷层厚度是试样表面四角及中心陶瓷层厚度的平均数值。对陶瓷层厚度的影响实验也是分为三组实验来进行，脉数设定为550不变，峰值电流密度分别取50A/dm2、200A/dm2、400A/dm2，改变脉宽对生成的陶瓷层厚度进行分析，最后对三个实验曲线进行对比。取脉数为550，峰值电流密度为50A/dm2，改变脉宽，得到陶瓷层厚度的变化数据，见表3-1。表3-1 峰值电流密度50A/dm2时厚度测量值脉宽（us）15306090厚度（m）2.23.45.47.9厚度随脉宽的变化趋势如图3-3。图3-3 峰值电流密度50A/dm2时厚度变化曲线分析图中曲线，可以看到随着脉宽的增大，陶瓷层的厚度也逐渐增大。由于随着脉宽的增大，单脉冲能量随之增大而造成在试样起弧后5分钟内电源所输出的总能量增大，更多的能量输出，就造成了更厚的陶瓷层。脉数不变，仍然为550，峰值电流密度变为200A/dm2，改变脉宽，得到的数据见表3-2。表3-2 峰值电流密度200A/dm2时厚度测量值脉宽（us）15306090厚度（m）5.311.215.326.6厚度随脉宽的变化趋势如图3-4。图3-4 峰值电流密度200A/dm2时厚度变化曲线从图中可以看出厚度是随着脉宽变大而增加的，但厚度随脉宽变大而增加的剧烈程度有所区别。脉数不变，峰值电流密度变为400A/dm2，改变脉宽，得到厚度随脉宽变化的数据见表3-3。表3-3 峰值电流密度400A/dm2时厚度测量值脉宽（us）15306090厚度（m）10.419.128.9厚度随脉宽的变化趋势如图3-5。图3-5 峰值电流密度400A/dm2时厚度变化曲线从图中曲线可以看出厚度随脉宽增大而增加，厚度增加速度较快。综上，可以看到在脉数固定不变时，无论电流密度为多少，厚度总是随着脉宽的增大而增加，这是因为单脉冲能量的增大而引起的；但峰值电流密度越大，厚度随脉宽变化越大，这是因为峰值电流密度的增大引起了单脉冲能量的增大，相比于峰值电流密度小的参数条件，峰值电流密度大就使得脉宽增大时所造成的单位时间内总能量的增大，这样就造成了在大的峰值电流密度下的厚度增长更为明显。2、脉宽对微弧氧化陶瓷层表面形貌的影响下面我们来观察脉宽对陶瓷层表面形貌的影响，我们取脉数为550不变，电流密度为50A/dm2时，改变脉宽。得到下面一组扫描照片，如图3-6。A：脉宽，15 us； B：脉宽，30 us；C: 脉宽，60 us； D: 脉宽，90 us；图3-6 脉数550；电流密度50A/dm2时不同脉宽下的扫描照片由图3-6观察可知：微弧氧化陶瓷层表面由众多大小不一的熔化凝固包状凸起和位于凸起中间的孔洞构成,且呈粗糙多孔形态.在脉宽为15us时，微孔的最大孔径约为0.8m1m；在脉宽为30us时,微孔孔径平均尺寸约为11.2m；当脉宽为60us时，微孔的孔径基本上都在1.21.5m；当脉宽为90us时，微孔的孔径基本上都在2m左右，甚至有的达到2.5m。脉宽小时生成的微弧氧化陶瓷层孔径小、孔数多,脉宽大生成的微弧氧化陶瓷层则相反。3、脉宽对微弧氧化生成单位厚度陶瓷层消耗能量的影响在观察脉宽对生长能量的影响时，我们取脉数为550，峰值电流密度为50A/dm2和100A/dm2, 改变脉宽，看生长能量的变化。生长能量可以用公式（3-1）计算。 （3-1）式中Ia-平均电流；V-电压；t-时间。生长能量是对起弧前的电压曲线对时间求积分并乘以平均电流。这里的生长能量指的是在起弧后所耗费的能量。脉数为550，峰值电流密度为50A/dm2的生长能量随脉宽变化的数据见表3-4。表3-4脉数为550，峰值电流密度为50A/dm2的生长能量随脉宽变化脉宽（us）15306090厚度（m）2.23.45.47.9能量（KJ）14.830.777.4122.2单位能耗(KJ /mdm2)13.4618.0628.6630.96生长单位厚度消耗能量随脉宽的变化趋势如图3-7。图3-7 生长能量随脉宽的变化脉数为550，峰值电流密度为100A/dm2的生长能量随脉宽变化的数据见表3-5。表3-5生长能量随脉宽的变化脉宽（us）15306090厚度（m）3.15.810.214能量（KJ）34.479.2197.4309.6单位能耗(KJ /mdm2)22.2027.3238.7044.22生长单位厚度消耗能量随脉宽的变化趋势如图3-8。图3-8 生长能量随脉宽的变化从图中可以看出生长单位厚度消耗能量随脉宽的增大而变大，在脉宽由15变到60，生长单位厚度消耗能量呈线性增大。而当脉宽继续增大时生长单位厚度消耗能量增幅减小。造成这种现象有两方面，一方面是因为随着脉宽的增大，单位时间内电源输出的能量增多而单位时间内氧化生成陶瓷过程总量有限，能量就经电解液以热能的形式消耗。另一方面，随着陶瓷层总厚度的增加每次微弧放电击穿已生成的陶瓷层所消耗的能量增多，而这部分能量最终也经电解液以热能的形式消耗。但当脉宽增大到一定程度，能量损耗已达到极限，损耗增幅有所缓解。3.2脉数对微弧氧化陶瓷层的影响1、脉数对微弧氧化陶瓷层厚度的影响脉数是指一分钟内电源输出脉冲的个数。对陶瓷层厚度的影响实验是分为两组实验来进行，脉宽分别设定为15、30不变，峰值电流密度分别取50A/dm2、100A/dm2，改变脉数对生成的陶瓷层厚度进行分析。取脉宽为15 us，峰值电流密度为50A/dm2，改变脉数，得到陶瓷层厚度的变化数据，见表3-6。表3-6 脉宽为15us、峰值电流密度为50 A/dm2厚度测量值脉数550110016502200厚度（m）2.23.04.05.6厚度随脉数的变化趋势如图3-9。图3-9 脉数对陶瓷层厚度的影响趋势在其他电参数相同的条件下，随着脉数的增大，陶瓷层厚度也随之增加，图3-15为根据表3-14中厚度数据所做，其中的厚度值为起弧后5分钟微弧氧化处理的样品的厚度值，在多点测量后取所测得的数据的平均值。随着脉数的增加，单位时间内电源输出的能量增多，陶瓷层生长速率也随之增大。取脉宽为30 us，峰值电流密度为100A/dm2，改变脉数，得到陶瓷层厚度的变化数据，见表3-7。表3-7 脉宽为30us、峰值电流密度为100 A/dm2厚度测量值脉数550110016502200厚度（m）3.46.68.910.6厚度随脉数的变化趋势如图3-10。图3-10 脉数对陶瓷层厚度的影响趋势由图可以看出，随着脉数的增大，陶瓷层厚度随之增加，但增长速率有所下降。出现这种现象的原因是因为在微弧氧化过程中，每次击穿时都会击穿一定量的陶瓷层，随着微弧氧化过程的进行，陶瓷层的厚度会越来越厚，每次都会有很多量的陶瓷层重复被击穿，从而影响了陶瓷层的生长速度，使陶瓷层的平均生长速度下降。2、脉数对微弧氧化陶瓷层表面形貌的影响下面我们来观察脉宽对陶瓷层表面形貌的影响，我们取脉宽为15 us不变，电流密度为50A/dm2时，改变脉数。得到下面一组扫描照片，如图3-11。A：脉数；550 B：脉数；1100C：脉数；1650 D：脉数；550图3-11脉宽15us；电流密度50A/dm2时不同脉数下的扫描照片由图3-11可看出，脉数对陶瓷膜层粗糙度的影响较小。微弧氧化是一个击穿、熔融氧化、凝固、再击穿的循环过程。在脉宽和峰值电流密度一定的情况下，每个脉冲所携带的能量是一定的，能够熔化的金属基体量也就一定，经氧化生成的陶瓷层也大致相同。因此，脉数对微弧氧化陶瓷层形貌的影响较小。3、脉数对微弧氧化生成单位厚度陶瓷层消耗能量的影响在观察脉数对生长能量的影响时，我们分别取脉宽为15 us、30 us，峰值电流密度为50A/dm2，100A/dm2改变脉数，看生长能量的变化。首先，我们看脉宽为15 us，峰值电流密度为50A/dm2时生长能量随脉数变化，数据见表3-8。表3-8生长能量随脉数的变化脉数550110016502200厚度（m）2.23.04.05.6能量（KJ）14.828.14465.9单位能耗(KJ /mdm2)13.4618.742223.54生长单位厚度消耗能量随脉数的变化趋势如图3-12。图3-12 生长能量随脉数的变化然后，我们看脉宽为30 us，峰值电流密度为100A/dm2时生长能量随脉数变化，数据见表3-9。表3-9生长能量随脉数的变化脉数550110016502200厚度（m）3.46.68.910.6能量（KJ）30.765.7106.5156.9单位能耗(KJ /mdm2)18.0619.9023.9429.60生长单位厚度消耗能量随脉数的变化趋势如图3-13。图3-13 生长能量随脉数的变化从图3-13中可以看出生长单位厚度消耗能量随脉数的增大而变大，造成这种现象的原因和脉宽的类似也是能量的来不及利用和击穿已生成陶瓷层所消耗。3.3 峰值电流密度对微弧氧化陶瓷层的影响1、峰值电流密度对微弧氧化陶瓷层厚度的影响同研究脉宽、脉数的方法一样，研究峰值电流密度对陶瓷层厚度的影响实验也是分为两组实验来进行，设定的电参数为脉数550，脉宽分别取15us、30us，改变峰值电流密度分别为50 A/dm2、100A/dm2、200A/dm2、300A/dm2、400 A/dm2。首先选电参数是脉数550，脉宽15us，改变峰值电流密度分别为50 A/dm2、100A/dm2、200A/dm2、300A/dm2、400 A/dm2。以实验前的试样为基准对实验后试样进行厚度测量，所得数据如表3-10表3-10脉宽30us脉数550时的厚度值峰值电流密度（A/dm2）50100200300400厚度（m）2.23.15.37.510.4分析表3-3中数据，脉宽15us脉数550时，试样上陶瓷层厚度随峰值电流密度变化的趋势如图3-14。图3-14 厚度随峰值电流密度变化曲线然后选电参数是脉数550，脉宽30us，改变峰值电流密度分别为50 A/dm2、100A/dm2、200A/dm2、300A/dm2、400 A/dm2。以实验前的试样为基准对实验后试样进行厚度测量，所得数据如表3-11表3-11 脉宽30us脉数550时的厚度值峰值电流密度（A/dm2）50100200300400厚度（m）3.45.811.215.519.1分析表3-25中数据，脉宽30us脉数550时，试样上陶瓷层厚度随峰值电流密度变化的趋势如图3-15。图3-15 厚度随峰值电流密度变化曲线从图3-15中可以看出，随着峰值电流密度的增大，随着峰值电流密度的增大，作用于试样表面的单脉冲能量也随之增大，从而使在试样起弧后5分钟内电源所输出的总能量增大，更多的能量输出，就造成了更厚的陶瓷层。3、峰值电流密度对微弧氧化陶瓷层表面形貌的影响下面我们来观察峰值电流密度对陶瓷层表面形貌的影响，对在电参数为脉数550，脉宽15us，改变峰值电流密度分别为50 A/dm2、100A/dm2、200A/dm2、300A/dm2、400 A/dm2时进行实验得到的试样分别在SEM下扫描各得到下面一组扫描照片，如图3-16。A：峰值电流密度：50 A/dm2 B：峰值电流密度：100 A/dm2C：峰值电流密度：200A/dm2 D：峰值电流密度：300 A/dm2D：峰值电流密度：400A/dm2图3-16脉宽15us；脉数550时不同峰值电流密度下的扫描照片由图3-16观察可知：微弧氧化陶瓷层表面由众多大小不一的熔化凝固包状凸起和位于凸起中间的孔洞构成，且呈粗糙多孔形态。看了一明显的看到随着峰值电流密度的增加陶瓷层的空洞直径接近成倍的增大。造成这种现象的原因是因为随着峰值电流密度的增大，单个脉冲所携带的能量增大，熔化的基体金属增多，冷却后空洞直径就变大。3、峰值电流密度对微弧氧化生成单位厚度陶瓷层消耗能量的影响在观察峰值电流密度对生长能量的影响时，我们取脉数为550，脉宽分别取15 us， 30 us改变峰值电流密度，看生长能量的变化。首先，我们看脉宽为15 us，脉数为550时生长能量随峰值电流密度变化，数据见表3-12。表3-12生长能量随峰值电流密度的变化峰值电流密度（A/dm2）50100200300400厚度（m）2.23.15.37.510.4能量（KJ）14.834.490.7171.5272.2单位能耗(KJ /mdm2)13.4622.2034.2245.7452.34生长单位厚度消耗能量随峰值电流密度的变化趋势如图3-17。图3-17 生长能量随峰值电流密度的变化然后，我们看脉宽为30 us，脉数为550时生长能量随脉数变化，数据见表3-13。表3-13生长能量随峰值电流密度的变化峰值电流密度（A/dm2）50100200300400厚度（m）3.45.811.215.519.1能量（KJ）30.779.2214.5304.4579.9单位能耗(KJ /mdm2)18.0627.3238.3039.2660.72生长单位厚度消耗能量随脉数的变化趋势如图3-18。图3-18 生长能量随峰值电度密度的变化从图3-18中可以看出生长单位厚度消耗能量随峰值电流密度的增大而显著变大。当电流很大时，除氧化来不及发生而以热能形式消耗外，电解质也有一定电阻，也以热能的形式向环境散失， 所以从节能的角度的考虑应尽量减小峰值电流密度。3.4 等电通量下参数对微弧氧化的影响以上我们对单个参数对微弧氧化陶瓷层和单位厚度能量消耗的影响。接下来，我们研究多参数共同作用而电通量相同的情况下微弧氧化过程中能量的消耗情况。实验数据见表3-14表3-14 等电通量下微弧氧化层厚度及能量消耗情况脉宽（us）脉数峰值电流密度（A/dm2）厚度（m）单位能耗(KJ /mdm2)6055040028.984.9230110040030.874.5615220040021.1107.406055030021.678.1830110030028.854.3815220030017.191.426055020015.364.3230110020020.443.0015220020014.757.026055010010.238.7030110010011.629.721522001008.039.9860550505.428.66301100505.723.04152200505.623.46不同参数条件下进行微弧氧化所生成陶瓷层厚度的变化趋势见图3-19。图3-19 不同参数条件下生成陶瓷层厚度的变化趋势不同参数条件下进行微弧氧化，生成单位厚度陶瓷层所消耗能量的变化趋势见图3-20。图3-20 不同参数条件下进行微弧氧化消耗能量的变化趋势由以上图表我们可以清晰的看到，随着峰值电流密度的增加陶瓷层厚度同之前所述一样整体增加，而当脉数为1100，脉宽为30s的情况下陶瓷层厚度增加最明显。从单位能耗方面看，随着峰值电流密度的增加单位能耗也同之前所述一样整体增加，而当脉数为1100，脉宽为30s的情况下单位能耗却增加较少。由此，我们可以确定脉数为1100，脉宽为30s的组合是微弧氧化较节省能量的一种参数组合。我们可以根据工件对膜层厚度的要求选择不同的峰值电流密度。第四章 结论本课题通过一系列的微弧氧化实验，研究了在微弧氧化过程脉宽、脉数峰值电流密度对微弧氧化陶瓷层生长的影响，得出了以下的结论：1、随着脉宽的增大陶瓷层生长速率增大，致密度明显下降，生长单位厚度的陶瓷层所消耗的能量增多。随着脉数的增大陶瓷层生长速率增大，致密度基本不变，生长单位厚度的陶瓷层所消耗的能量略增多。随着峰值电流密度的增大陶瓷层生长速率增大，致密度明显下降，生长单位厚度的陶瓷层所消耗的能量明显增多。2、综合考虑各参数对陶瓷层的影响发现，对于生长速率而言峰值电流密度的影响略大于脉数而脉宽影响最小；对于致密度而言脉宽和峰值电流密度均使其明显下降，而脉数变化时致密度基本不变；而对于生长单位厚度的陶瓷层所消耗的能量来说，峰值电流密度的增加使能量损耗明显增多，脉宽次之，脉数影响最小。3、就本实验条件下所得结果分析可得，在脉数1100，脉宽30s的情况下进行微弧氧化生长速率较快，制备单位厚度的陶瓷层所消耗的能量较少。峰值电流密度为50 A/dm2时，生成单位厚度的能量消耗仅为23.04 KJ /mdm2；峰值电流密度为50 A/dm2时，生成单位厚度的能量消耗也仅为74.56 KJ /mdm2。因此这一参数组合是微弧氧化工艺中较好的参数组合。袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿