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《兰州理工大学》 2010年
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镁合金微弧氧化微区电弧放电机理及电源特性的研究

陈明  
【摘要】:随着镁合金越来越多的应用,提高其表面性能的要求日益迫切,作为一种极具潜力的表面处理方法,微弧氧化工艺被广泛关注。然而,由于其涉及材料学、电化学、电弧物理、电力电子和控制系统等多个学科和技术领域,是一个受多种因素影响的高度复杂的工艺过程,因此,许多问题至今并未给出明确结论。本文以提高镁合金的耐蚀性为主要目的,以微弧氧化过程的微弧放电现象、电信号波形及氧化膜层形貌为研究对象,采用理论分析加实验验证的方法,深入研究过程状态、膜层特点与电信号特征的相关性。在此基础上,提出微区电弧放电机理和模型及其对电源的要求,并通过负载特性研究提出负载适应性要求;然后构造新型脉冲电源输出模式,并展开电源模式和参数的比较研究;最终完成面向工业应用的大功率微弧氧化电源的研制。论文工作主要包括以下内容: 参考现存的电源形式,结合镁合金微弧氧化工艺特点,设计并建立了具有多种电源脉冲波形输出方式的实验研究平台。以单片机为核心开发控制系统,实现了电源的输出波形、伏安特性的调节,并通过记忆示波器和计算机,进行负载波形的观测和数据采集。 研究了各种电源输出方式下,微弧氧化实验中的放电现象与负载电压、电流波形的相关性。认为所有的微弧氧化过程,随电源电压增加均可划分为3个阶段:阳极氧化、微弧氧化和大弧放电。前者必须经历而且一直伴随各个阶段;后者为过程的失效状态,要尽量避免。为此定义了起弧电压Ua和大弧电压UL,用来界定微弧氧化状态,并作为稳定性的定量评价指标。Ua越低、UL越高则过程越稳定。研究发现,在现存电源模式中双极性脉冲电压输出方式的稳定性最高。 根据相关性研究结果,基于电弧理论提出了微弧氧化微区电弧放电机理和模型,将一次独立的微弧放电划分为4个过程:电解、放电、氧化和冷却。电解过程进行水的电解和阳极氧化反应,依附于阳极表面的导电通道,产生以氧气为主的混合气体;当气体封闭通道,承受电源电压而电离,则发生电弧放电;放电形成的局部高温将引起金属的剧烈氧化,氧化反应产生的热量进一步提高局部温度,使放电愈加剧烈,这种自我强化作用使放电和氧化瞬间完成,形成“雪崩”效应,局部高温将导致氧化物熔融并喷出通道;当气体被氧化反应消耗殆尽时,放电和氧化过程戛然而止,巨大的温差使熔融物急剧冷却收缩,金属基体具有更高的导热率,故留下向内的收缩孔。一次微弧放电将导致一个微区热循环过程,其升温快速而集中,随电弧熄灭迅速转入冷却过程。微弧氧化的膜层特点和大弧现象,都无不与微区热循环密切相关。 基于微区电弧放电和热循环机理推断,起弧电压随电解液离子浓度升高、温度升高而降低,随膜层厚度的增加而升高;大弧倾向随电解液温度升高、电源电压升高而增加,随脉冲占空比的减小而降低。这些推断均被实验验证。基于微区电弧放电和热循环机理,结合负载电压波形定义了燃弧时间t_a和冷却时间t_c,认为大弧现象是由tc不足造成。据此提出了微弧氧化电源的基本要求,并给出一种理想的电压波形。 对双极性脉冲电源中负电压作用的研究发现,其抑制大弧放电倾向的能力,缘于电源电路中斩波器通断时序所带来的负载电容旁路效应,而与负电压大小无关。理论分析和实验结果均未找出负电压存在的理由,故双极性电源中负脉冲的唯一效用,就是抑制大弧倾向,使其部分满足了微弧氧化电源的要求。 微弧氧化的膜层是金属氧化物堆积形成,由一系列离散的微区电弧放电引发。瞬间完成的微小区域内的电弧放电所产生的光热辐射,加之由其导致的剧烈的金属氧化反应所释放的热量,致使放电区域瞬时形成局部高温,使生成的氧化物熔融、经历骤热骤冷,并伴随重熔和快速凝固,从而获得具有非平衡组织结构的金属氧化物膜层。随时间延长和电压增加,微弧氧化膜层生长可分为早、中、后3个时期。早期存在大量的浅层导电通道,故放电弧斑小而多,膜层表面平整致密、收缩孔均匀细小,但成膜速率较低;中期,浅层通道逐渐封闭,放电弧斑逐渐增大且变稀疏,膜层均匀性和致密度下降、粗糙度增加,小孔尺寸变大数量减少,此时成膜速率为最高;后期将以深层导电通道放电为主,弧斑更大更少,膜层表面不均匀、粗糙且疏松,并可能伴生突起的熔融物和由应力集中导致的微裂纹,成膜速率也将下降。 热力学分析表明,微弧氧化使镁合金表面的自由能降低,整体上属于放热反应。电源消耗的电能和反应产生的热量,最终都将转化为电解液的温度上升。动力学分析认为,电源电压是微弧氧化的工作条件,电流是其状态和程度的反映。膜层生长速度在一定范围内随电压和电流单调增长,但不能用一个简单的动力学模型准确描述。 微弧氧化的负载特性呈现极强的电容性,可用3个电阻和2个电容构成的电路模型来等效,进一步可简化为2个电阻和1个电容的一阶RC系统。用负载电压和电流波形数据进行仿真模拟分析,结果印证了这一结论。强电容性使负载电压波形不易满足微弧氧化的基本要求,同时会造成电源系统的电流冲击,故必须解决这两方面的电源适应性问题。前者可通过增加强制放电回路,促使负载电压快速泄放来实现;后者则应在电源电路设计时,考虑对其限制或采取相应吸收保护措施。 基于对负载电压波形的要求和负载电容性的特点,设计了一种新的微弧氧化电源模式,即带放电回路的脉冲电源,并在实验平台上加以实现。通过构造放电回路,新型电源支持自然放电、不完全放电和完全放电3种工作方式,后者的燃弧时间和冷却时间可通过斩波器时序精确控制,有效解决了大弧放电问题。比较研究的结果证明,带放电回路的电源比双极性脉冲电源,更适合镁合金微弧氧化化工艺。主要表现在:过程稳定性好,参数可控性优,放电弧斑均匀;其成膜效率、膜层表面质量和耐蚀性,大部分情况下均优于双极性电源。 电源加载方式和参数对微弧氧化过程影响显著。可选择电压增量和恒定电流两种方式加载,起弧电压之上,当电压增量取5V/min~15V/min,或恒定电流为4A/dm~2~12A/dm~2时,过程的综合性能最好;取值过大会使膜层质量变差,过小则成膜效率变低。脉冲频率和占空比的合理取值范围分别为500Hz~800Hz和20%~30%。 面向工业生产设计了新型大功率微弧氧化脉冲电源主电路,通过IGBT并联和吸收、保护等措施,解决了输出电流的冲击问题,使功率电子器件可靠运行。以16位高性能单片机80C196KB为核心,研制了电源控制系统硬件电路,并以输出脉冲波形和伏安特性控制为技术关键,完成了控制算法和系统软件的开发。用单片机AT89C52为核心研制了微弧氧化过程控制系统,设计了人性化的人机界面,使设备的易用性、适应性和操作性能得以提升。配合所设计的通讯协议,两个单片机系统之间经由串行异步通讯交换数据,还可通过RS-232C通讯接口与上位机联接,为今后实现微弧氧化加工中心提供支持。研制的设备经测试达到了预期技术目标,并初步通过了应用考核。
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