铝合金表面微弧氧化陶瓷膜生成及机理的研究

摘要

微弧氧化技术又称为微等离子体氧化技术或阳极火花沉积技术，这是一种在阀金属及其合金表面通过微等离子体放电，进行复杂的电化学、等离子化学和热化学过程，原位生长氧化物陶瓷膜的新技术。利用此项技术形成的表面膜层与基体的结合力强、硬度高、耐磨性、耐蚀性、抗热震性高，膜层电绝缘性好、击穿电压高。不仅如此，该技术采用能量密度极高的微等离子弧加热的先进加热方法，基体组织结构不受影响，且工艺不复杂，不造成环境污染，是一项很有前途的材料表面处理新技术，正成为国际材料表面工程技术领域的研究热点。俄罗斯、美国、英国及日本等国对这项新技术的研究十分重视。
　　铝合金表面的微弧氧化是一个十分复杂的过程，包含初期氧化膜的电化学形成，以及后续的陶瓷膜击穿，其中包含热化学、电化学以及光、电、热等物理作用，并且这一过程受基体本身的材质、电源参数以及电解液的参数影响，很难在线监测，这就为理论研究带来困难。因此，到目前为止，仍没有一种理论模型能圆满地解释各种实验现象，对其机理研究仍需进一步的探索和完善。
　　本文通过对铝合金表面微弧氧化陶瓷膜的生成机理、工艺规律、工艺试验及生成陶瓷膜特性的系统研究，以求进一步掌握和了解铝合金表面微弧氧化加工新技术，为推进该技术的产业化和深层次的研究打下良好的基础。
　　微弧氧化过程的机理是这一技术的理论基础，本文首先对铝合金表面微弧氧化生成陶瓷膜的机理进行了深入研究，提出了微弧氧化过程的机理模型。认为由于在微弧放电通道内气体压力较高，在此压力范围内电子不可能被电场充分加速，其能量经碰撞被高密度的气体分子有效地吸收而变成热能，使体系达到热平衡，此时电子的温度Te和气体的温度Tg相同，即Te=Tg。
　　微弧氧化过程中产生的等离子体主要为氧的等离子体，孔底的氧气泡首先被击穿，产生氧的等离子体，这一过程产生的自由电子和焦耳热，又引发孔底氧化膜的雪崩击穿，氧化膜的击穿可以认为发生在阻挡层有瑕疵的弱斑上，这个弱斑是阳极氧化时氧化膜产生晶格缺陷的地方。
　　整个放电通道的等离子体在电场的作用下发生正离子的迁移，在阴极处（溶液与陶瓷膜的界面）留下正的空间电荷，这些空间电荷增大了阴极的电子场发射，以此来保证电流的连续性并且使雪崩可能发展到足以引起持续的击穿。
　　氧等离子体中存在着激发态的氧分子和氧原子，这些都是活性物质，在微弧氧化过程中起着重要的作用。用高速快门的照相机（快门速度为1s/1000）拍下了阳极表面的放电点状况。可以看出，工件表面同时放电的通道数量很多。
　　分析了氧析出的电极过程，并通过成分分析推断了在电极上发生的反应。以最简单的KOH电解液体系为例，对微弧氧化的总反应进行过程分析，计算总反应的转变温度T=4151K=3878℃。在反应体系的温度没有超过这一温度时，总反应都在正向进行，即向生成陶瓷膜的方向进行。这也比较符合研究人员对放电通道温度的推测。并解释了相关的试验现象。
　　针对目前对微弧氧化过程的影响因素和陶瓷膜性能研究不是很系统，并且不同电源模式下影响因素表现不同、得到的陶瓷膜的性能也不同这一情况，本文采用性能较好的正负交变双极性脉冲电源，对微弧氧化过程的影响因素和陶瓷膜的性能进行了较为系统、深入的研究，主要将膜层的厚度、致密层的硬度和致密层在总膜厚中所占的比率作为评价陶瓷膜性能的指标，来研究电源参数、电解液参数、基体材质、氧化时间、温度因素等对微弧氧化结果的影响，通过试验研究，了解了铝合金微弧氧化过程的基本规律。
　　对实验过程中所得到的陶瓷膜进行特性分析，包括应用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等手段，对陶瓷膜的微观结构、相组成及膜层成份进行分析；对陶瓷膜的性能也进行了研究，主要研究陶瓷膜的耐腐蚀、耐摩擦性能，并对其力学性能及其对基体的力学性能的影响进行研究。试验中还用微弧氧化生成的陶瓷薄层取代铝合金工件涂装过程中的底漆，取得了良好的效果。
　　设计研制了一套铝合金工件内腔表面微弧氧化装置，在铝合金工件的内腔表面进行微弧氧化试验，取得了较理想的效果。为铝合金工件的内腔微弧氧化提供了一个新的思路。
　　在本文的研究过程中，实现了用两个工件分别作为交变的正负两极的对称交替微弧氧化，在一个周期内，两个工件分别作为阳极，交替放电，这样既可以节约能源，又提高了加工效率，并且可以在两极以不同的电流密度进行加工，生成不同厚度与硬度的陶瓷膜。

目录

铝合金表面微弧氧化陶瓷膜生成及机理的研究

RESEARCH ON THE FORMATION ANDMECHANISM OF CERAMIC COATINGPREPARED BY MICRO-ARC OXIDATIONON SURFACE OF ALUMINUM ALLOY

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 铝合金表面陶瓷化改性研究现状

1.2.1 溶胶-凝胶法

1.2.2 稀土转化膜

1.2.3 激光熔覆

1.2.4 阳极氧化

1.2.5 等离子体微弧氧化

1.3 微弧氧化技术的应用领域

1.4 微弧氧化技术的发展及研究现状

1.4.1 微弧氧化技术的发展简史

1.4.2 机理研究沿革

1.4.3 微弧氧化技术的研究现状

1.4.4 目前研究的不足之处

1.5 课题来源

1.6 论文研究内容

第2章 铝合金微弧氧化机理的探索研究

2.1 等离子体及固态电介质的击穿

2.1.1 等离子体的概念及氧等离子体

2.1.2 固态电介质的击穿

2.2 微弧氧化过程放电现象与电火花加工放电过程的异同

2.3 微弧氧化时铝合金表面的电极过程

2.3.1 氧的析出反应

2.3.2 陶瓷膜的成分分析

2.3.3 微弧氧化过程中电极反应的探讨

2.3.4 微弧氧化过程中各种电流的作用

2.4 微弧氧化陶瓷膜内的相变过程

2.5 微弧氧化过程的机理模型及总反应过程分析

2.5.1 微弧氧化过程的机理模型

2.5.2 微弧氧化总反应的过程应分析

2.6 本章小结

第3章 微弧氧化工艺装置及工艺规律

3.1 铝合金表面微弧氧化脉冲电源概述

3.1.1 铝合金表面微弧氧化对脉冲电源的波形要求

3.1.2 微弧氧化脉冲电源的主回路

3.1.3 微弧氧化脉冲电源的控制回路

3.2 微弧氧化工艺装置

3.3 微弧氧化过程的工艺规律

3.3.1 实验准备及现象

3.3.2 微弧氧化过程中放电参数及形成陶瓷膜速率的规律

3.3.3 微弧氧化陶瓷膜的生长规律

3.4 本章小结

第4章 铝合金表面微弧氧化过程影响因素的研究

4.1 电源参数对铝合金微弧氧化陶瓷膜的影响

4.1.1 电流密度对微弧氧化陶瓷膜的影响

4.1.2 脉冲频率对微弧氧化陶瓷膜的影响

4.1.3 负向电流对微弧氧化陶瓷膜的影响

4.2 电解液参数对微弧氧化陶瓷膜的影响

4.2.1 溶液体系对微弧氧化陶瓷膜的影响

4.2.2 电解质浓度对陶瓷膜的影响

4.3 基体材质对微弧氧化陶瓷膜的影响

4.4 氧化时间、温度对微弧氧化陶瓷膜的影响

4.4.1 氧化时间对陶瓷膜的影响

4.4.2 电解液温度的影响

4.5 本章小结

第5章 微弧氧化陶瓷膜特性分析及性能研究

5.1 陶瓷膜的微观形貌分析

5.1.1 陶瓷膜的表面形貌

5.1.2 陶瓷膜与基体界面形貌

5.2 陶瓷膜的相组成分析

5.3 陶瓷膜的性能研究

5.3.1 陶瓷膜的摩擦学性能

5.3.2 陶瓷膜的耐腐蚀性能

5.3.3 陶瓷膜的电绝缘性能

5.3.4 陶瓷膜与基体的结合强度

5.4 陶瓷膜对铝合金基体拉伸性能的影响

5.5 微弧氧化陶瓷膜替代底漆的研究

5.6 微弧氧化技术产业化成果

5.7 本章小结

第6章 内表面微弧氧化与两极对称微弧氧化的研究

6.1 内表面微弧氧化的研究

6.1.1 内表面微弧氧化时的参数表现

6.1.2 内腔表面微弧氧化陶瓷膜的性能

6.2 两极对称微弧氧化的研究

6.2.1 两极对称微弧氧化过程的参数表现

6.2.2 两极对称微弧氧化陶瓷膜的性能

6.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致 谢

个人简历