微弧氧化低壓誘導放電過程分析

呂鵬翔 姜 巖 曾 娜 張思源

（大連大學 機械工程學院，大連 116200）

1 研究背景

微弧氧化技術(shù)因其能夠在鋁、鎂、鈦等輕合金的表面生成一層耐腐蝕、耐摩擦的陶瓷膜[1]而對這些輕金屬進行有效防護，進一步擴大了它們的應(yīng)用領(lǐng)域，有利于工程機械實現(xiàn)輕量化。例如，汽車的輕量化對鋁合金、鈦合金的應(yīng)用，對實現(xiàn)碳達峰、碳中和的節(jié)能環(huán)保事業(yè)的貢獻。然而，微弧氧化基于等離子體放電的自身特點導致其加工處理的能源消耗較高，處理能力受到限制。

為了解決上述矛盾，研究人員提出了各種方法。吳成奉等提出鋁合金射流微弧氧化層工藝，以期能夠?qū)Υ竺娣e工件進行處理，以提高處理能力[2]。王玉林等提出微弧氧化刷鍍陶瓷層技術(shù)，采用刷鍍微弧氧化的方法在鋁質(zhì)材料上制備陶瓷層，以期擴大微弧氧化加工能力[3]。更多的研究人員則是從改善工藝參數(shù)的角度，以期獲得高的成膜效率和大的處理面積[4-5]。然而，這些方法都沒有改變微弧氧化極間電壓較高導致實時能量消耗較大的問題。本文利用高濃度工作液與管狀電極結(jié)合，獲得在低電壓放電且能夠高效成膜的低壓誘導放電微弧氧化，有效降低了實時功率消耗，并能夠解決大面積工件處理問題。

2 實驗方法

試件為2A12 鋁合金，尺寸為80 mm×40 mm× 1.5 mm。陰極由傳統(tǒng)的工作液槽轉(zhuǎn)化為具有內(nèi)充液功能的管狀電極。該電極壁厚0.25 mm，管電極的內(nèi)部徑為2 mm，材料為316 不銹鋼。實驗時，利用潛水泵把工作液自一端注入陰極，并由陰極的另一端以一定的速度噴出射向工件表面，陰極端面距工件表面距離為1～2 mm。陰極在工件表面做勻速直線往返運動，速度約為10 mm·min-1。實驗在改造的三軸工作臺上進行，時間為30 min。

本實驗所使用的電源為團隊自主研發(fā)的2.0 kW雙向脈沖電源，采用雙向脈沖放電，實驗脈沖寬度與脈沖間隙為200 ～5 000 μs 可調(diào)，占空比為5%～25%，采用先恒流再恒壓的加工模式。實驗所用的工作液為堿性工作液，配比為氫氧化鉀15 g·L-1和硅酸鈉30 g·L-1。

3 微弧氧化低壓誘導放電過程

常規(guī)浸沒式微弧氧化放電需要經(jīng)過鈍化階段和火花放電階段，然后進入微弧放電階段。這一過程一般需要數(shù)分鐘時間，且終止電壓較高，一般在550 V左右。與之不同，微弧氧化低壓誘導放電幾乎瞬間就會進入微弧放電階段，放電劇烈，且能夠穩(wěn)定維持到終止時間。其最終的放電電壓較低，一般在350 V 左右。

微弧氧化放電的本質(zhì)是氣體的等離子體電離擊穿，實現(xiàn)微弧氧化低壓誘導放電。常規(guī)浸沒式微弧氧化放電一般利用電解槽作為陰極，陽極工件整體浸沒在工作液中，導致電極之間電場分散。為了實現(xiàn)微弧氧化放電，必然需要較高的極間電壓。而微弧氧化低壓誘導放電陰極尖端與工件表面之間的距離一般為1 ～2 mm，遠遠小于常規(guī)浸沒式微弧氧化放電，有利于在極間形成一個較強的電場，故而在不需要很高的電壓情況下實現(xiàn)氣體的等離子體電離擊穿，形成低壓誘導式的微弧氧化放電。陰極的尖端面積較小，有利于形成很大的電流密度。濃度較高的電解液，為劇烈的放電提供足夠的載流子，以保證放電的可持續(xù)性。放電過程如圖1 所示，4 張圖片的時間分別為1 s、4 s、25 s、350 s 時的放電狀態(tài)。

圖1 顯示：在開通電源3 ～5 s，極間由暗到明，進而進入劇烈放電狀態(tài)，是常規(guī)浸沒式微弧氧化放電無法實現(xiàn)的；3 ～5 s 后，放電明顯增強，火花光點顯著增多，且明亮耀眼的白色，充滿極間的投影區(qū)內(nèi)，同時伴有比浸沒式強烈的放電聲音。

放電過程在時間軸上的具體表現(xiàn)。圖1（a）顯示，在通電的一瞬間，大約在1 s 時間內(nèi)，微微的暗光表明放電完成鈍化階段的變化，迅速向下一階段發(fā)展，如圖1（b）所示。這個過程的電壓升高迅速，沒有觀察到緩慢停留的現(xiàn)象，預示低壓誘導放電具有很高的成膜效率。這正是本實驗追求的目標，即利用較小的電源在較低的極間電壓下實現(xiàn)高效的微弧氧化放電，進而在高效節(jié)能的條件下得到微弧氧化陶瓷膜層。

隨著極間電壓的迅速升高，放電火花發(fā)生了顯著變化，如圖1（c）所示。放電火花的亮度增加，顏色由溫度較低的白色轉(zhuǎn)為溫度更高的橘紅色，同時火花體積變大，數(shù)量相對減少，表明放電已經(jīng)正式進入微弧氧化放電階段，且放電能量較大，有利于高效生成微弧氧化陶瓷膜層。圖1（d）表明，這種穩(wěn)定劇烈高效的微弧氧化狀態(tài)可以長時間持續(xù)下去。

圖2 是圖1（c）的局部放大，顯示火花變大，顏色變得橘紅。圖3 是實驗的最后階段，由于是恒壓模式加工，隨著膜層的增加，火花逐漸減少，直至最終熄滅。

4 掃描過程中的放電分析

4.1 陰極相對運動成膜分析

不同于常規(guī)浸入式微弧氧化的成膜方式，微弧氧化低壓誘導放電采用移動電極掃描成膜的方式，通過陰極在陽極工件表面的逐次掃描實現(xiàn)工件表面整體的微弧氧化加工。圖4 是微弧氧化低壓誘導放電區(qū)示意圖，表明與常規(guī)浸入式微弧氧化成膜不同，最終的微弧氧化陶瓷膜層僅僅出現(xiàn)在極間投影區(qū)內(nèi)，并隨著陰極的運動軌跡發(fā)展變化。值得一提的是，在成膜區(qū)的邊緣處是陽極氧化膜，這是電場在該區(qū)域迅速降低滿足陽極氧化導致的。火花放電區(qū)的頭部有一部分白色的亮部，這是陰極運動導致一部分投影區(qū)始終處于剛剛放電狀態(tài)，即如圖1（b）的情況一直發(fā)生所致。通過研究發(fā)現(xiàn)，陰極運動的速度越快，白亮區(qū)的面 積越大。

4.2 極間電場分析

圖5 是微弧氧化低壓誘導放電的電場分析。由于極間距離很小且陰極端面很小，可以把陰陽極相對的區(qū)間簡化為平行板電極。其中，加工時陰極會移動。在剛開始時，極間剛剛放電，沒有相對運動，也沒有陶瓷膜層形成，故而極間電場是均勻的，極間距離也沒有明顯的變化，如圖5（a）所示。當放電穩(wěn)定后，陰極開始沿著工件表面移動，這時由于劇烈的放電，在工件表面快速形成微弧氧化陶瓷膜層，導致極間電場的均勻性被打破。由于陶瓷膜高的絕緣性，使得電場更傾向于通過無膜區(qū)域，即上面討論過的白亮區(qū)通過，這是白亮區(qū)顏色白亮的本質(zhì)原因。然而，極間電流密度很大，通過已經(jīng)成膜的區(qū)域是要放電的，但是放電比無膜區(qū)變得困難，需要的能量也變多，因此這時火花數(shù)量減少、體積變大、顏色變深，如圖5（b） 所示。

5 結(jié)語

本文采用具有內(nèi)部充液式的管狀陰極設(shè)計，利用高濃度堿性工作液，實現(xiàn)了微弧氧化低壓誘導放電實驗，并通過對該實驗現(xiàn)象的觀察分析陰極移動成膜特點，通過對極間電場的討論分析了微弧氧化低壓誘導放電具有高成膜效率的原因，證明了該方法具有與常規(guī)浸沒式微弧氧化放電本質(zhì)上的區(qū)別。