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反激式微弧氧化功率电源及其脉冲作用效能的研究

杨威  
【摘要】: 微弧氧化是一种在铝、镁、钛等金属及其合金表面原位生成陶瓷相氧化膜的表面改性新技术,因其生成的膜层具有优良的耐磨、耐蚀性能而受到了广泛的关注。在微弧氧化应用研究中,提高膜层性能、拓展该技术的适用金属范围一直是研究的重点,而随着该技术工业应用的发展,由工艺能耗过大导致的成本过高的问题日益突出,降低微弧氧化电能消耗也成为了研究的重点。脉冲电源是微弧氧化工艺中的关键设备,其特性和参数特别是脉冲形式和脉冲能量对膜层性能和工艺能耗有重要的影响,因此研究微弧氧化脉冲电源的负载特性,明确脉冲对负载的作用效能,并在此基础上改进电源特性和脉冲形式,对改善膜层性能、降低工艺能耗从而促进微弧氧化技术的工业化应用有重要的意义。通过研究方波电流脉冲幅值、占空比、频率对膜层的影响,进一步明确了脉冲能量是影响氧化过程的关键因素。以由电化学阻抗谱法得到的多孔膜等效电路模型为基础,采用对微弧氧化电源负载实际波形进行参数拟合的方法,得到了能够反映负载在脉冲作用下的特性的等效电路模型。结合该等效电路模型分析了电压脉冲和方波电流脉冲对负载的作用效能,明确了无益于膜层生长的多余能量的消耗,是导致工艺能耗增大、膜层质量和性能下降的主要原因,为电源特性改进和脉冲形式优化提供了设计依据。 为了提高脉冲作用效能,同时有效控制脉冲能量,提出了一种可以输出具有陡直前沿的尖峰电流脉冲的反激式微弧氧化功率电源方案,电源采用多电流脉冲单元组合结构,通过不同方式的组合可实现多种工作模式以满足不同的工艺需要。电流脉冲单元利用耦合电感储存、传递能量,实现了高频隔离,通过控制耦合电感原边绕组峰值电流并配合频率调节使脉冲单元工作在断续或临界断续状态,从而在负载上得到单个脉冲能量可控的尖峰电流脉冲。为提高脉冲能量、增大电源输出功率,以具有高饱和磁感应强度的铁基非晶合金为铁芯设计了耦合电感。为保证输出电流脉冲的能量可控,对脉冲波形控制进行了研究,建立了在微弧氧化电源负载条件下,电流脉冲单元耦合电感原、副边绕组进行能量交换时的等效电路模型,分析了原、副边绕组漏感和负载参数及其剩余电压对电流脉冲波形的影响,给出了控制脉冲波形的有效方法。 为了使反激式微弧氧化功率电源能灵活地构成不同的工作模式,以满足各种不同的微弧氧化工艺要求,研究了电流脉冲单元的多种并联组合方式。分析了当脉冲单元直接并联时,各单元耦合电感原边绕组电感量的差异对单元输出脉冲能量一致性、脉冲输出同步性的影响。并联单元数量较多时,主要采用主从控制方式,确保脉冲同步性;并联单元数量较少时,对各单元的峰值电流进行修正,确保脉冲能量一致性。为了增加脉冲单元在普通阳极氧化阶段的输出功率,使负载上的平均电压尽快达到起弧电压,采用了单元交错并联的控制方式,使脉冲频率和输出电流得以增大,同时又避免了单纯增大单元脉冲频率时开关管无法保持零电流开通的问题。分析了将两单元直接反并联构成变极性电流脉冲电源时,在两个耦合电感副边绕组中形成的环流对输出电流脉冲和开关管开通条件的影响,提出了一种利用带有自续流电路的晶闸管作为阻断环流开关来实现正、负双向电流脉冲输出的变极性电流脉冲组合拓扑。 为了验证反激式脉冲电源的节能效果和尖峰电流脉冲的作用效能,在以铸铝为基体材料的工件表面进行了微弧氧化工艺实验研究。在加工工件数量及加工结束条件相同的条件下,对采用各自的优化参数的方波电流脉冲电源和反激式脉冲电源的能耗进行了对比,结果表明采用反激式脉冲电源,微弧氧化工艺的单位能耗明显降低。在脉冲峰值和脉冲宽度相同的条件下,采用方波和尖峰电流脉冲得到的膜层厚度几乎相同,但采用尖峰电流脉冲,电源输出功率更低,脉冲作用效能更高。 另外,采用反激式脉冲电源在钢铁表面进行了微弧氧化膜层制备的探索。不经一般方法中所必需的热浸镀铝环节,直接在Q235钢表面生成了微弧氧化膜层,通过工艺实验,研究了峰值电流、脉冲频率、氧化时间对膜层表面形貌、厚度、耐腐蚀性能的影响。尝试在不锈钢表面进行膜层制备,结果表明由于不锈钢的微弧氧化电源负载阻抗较高,同时很难形成阻挡层,因此成膜困难。


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