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微弧氧化膜层形成及其表面粗糙度的研究

潘明强  
【摘要】: 微弧氧化技术具有工艺灵活、操作简单、表面改性效果显著以及工艺过程绿色环保等诸多优点,其工业应用前景十分广阔。随着微弧氧化技术工业化应用的深入,工业应用对膜层表面质量要求越来越高。而表面粗糙度作为表征膜层表面质量的性能指标之一,也越来越受到重视。膜层表面粗度在火花放电生成膜层的过程中同步形成,因此探讨火花放电过程和膜层形成机制是研究膜层表面粗糙度的基础。 首先本文根据放电火花变化特征将整个微弧氧化处理过程分成不同的处理阶段,分析不同阶段放电火花特征、膜层表面形貌、电流电压变化规律以及它们之间的关系。在分析单个火花放电过程中,根据单个火花放电产生到消失的时序,将单个火花放电过程分为四个连续的阶段,即火花放电等离子源形成、等离子体放电击穿膜层、构成膜层的物质生成、等离子体放电火花熄灭。利用时序分段法对单个火花放电从形成到消失整个过程的机制进行研究,进一步探讨微弧氧化过程中的火花演化和膜层形成机理。 通过对白色火花放电阶段和红色火花放电阶段的宏观反应特点和生成膜层微观形貌特征进行分析,建立白色火花放电和红色火花放电等离子源形成模型。揭示了两个阶段的火花放电等离子体源形成过程。白色火花放电阶段的等离子体源是电子轰击膜层表面包裹的气泡层而形成;而在红色火花放电阶段多次放电后造成金属正电极、溶液等效负电极上的尖端凸起延伸到膜层内部,同膜层中封闭的气孔一起在电场中形成强电场区,当强电场中绝缘介质极化达到极限时就形成了放电等离子源。 通过对膜层中不同位置产生等离子源形成放电通道的过程进行分析,建立三种膜层击穿过程火花放电通道模型,利用这三种火花放电通道模型能很好的解释微弧氧化过程中相同时刻放电火花大小不同的现象、膜层生长形成机制以及抑弧氧化的形成机理等微弧氧化问题。 利用单个火花放电分析理论可以清楚地阐明火花放电自动产生和消失的机制,以及单向脉冲输出和双向脉冲输出微弧氧化处理过程中火花放电状态在时空上的变化问题。 然后通过分析处理铝合金LD10和LY12试验过程中的火花变化状态和膜层形貌,验证利用单个火花放电相关理论分析的膜层生长形成过程和膜层表面形貌形成机制,及火花放电与膜层生长演变之间的关系,其演变过程依次为:绝缘非晶向膜层形成→尖端大火花放电引起相变→大火花转移使膜层整体逐步相变→下一轮尖端放电和膜层生长→膜层生长结束。 最后,将支持向量机数据回归分析方法与正交试验设计方法相结合,建立基于正交试验的支持向量机数据回归分析的微弧氧化参数溶液温度、频率、占空比、处理时间与膜层表面粗糙度之间关系的工艺模型,利用工艺模型生成处理铝合金LD10和镁合金AZ91D的工艺参数值。以优化参数为基础进行单因素试验,分析处理方式和基体材料对溶液温度、频率、占空比、处理时间的影响,以及微弧氧化参数对膜层表面粗糙度影响的工艺规律。


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