呂鵬翔 姜 巖 曾 娜 張思源

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(jìn)行有效防護(hù)，進(jìn)一步擴(kuò)大了它們的應(yīng)用領(lǐng)域，有利于工程機(jī)械實(shí)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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的節(jié)能環(huán)保事業(yè)的貢獻(xiàn)。然而，微弧氧化基于等離子體放電的自身特點(diǎn)導(dǎo)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(jìn)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(kuò)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(dǎo)致實(shí)時(shí)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(dǎo)放電微弧氧化，有效降低了實(shí)時(shí)功率消耗，并能夠解決大面積工件處理問題。

2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)，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(yùn)動(dòng)，速度約為10 mm·min-1。實(shí)驗(yàn)在改造的三軸工作臺上進(jìn)行，時(shí)間為30 min。

本實(shí)驗(yàn)所使用的電源為團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的2.0 kW雙向脈沖電源，采用雙向脈沖放電，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(jìn)入微弧放電階段。這一過程一般需要數(shù)分鐘時(shí)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(dǎo)放電幾乎瞬間就會(huì)進(jìn)入微弧放電階段，放電劇烈，且能夠穩(wěn)定維持到終止時(shí)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(shí)現(xiàn)微弧氧化低壓誘導(dǎo)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(dǎo)致電極之間電場分散。為了實(shí)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(dǎo)放電陰極尖端與工件表面之間的距離一般為1 ～2 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)浸沒式微弧氧化放電，有利于在極間形成一個(gè)較強(qiáng)的電場，故而在不需要很高的電壓情況下實(shí)現(xiàn)氣體的等離子體電離擊穿，形成低壓誘導(dǎo)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(shí)間分別為1 s、4 s、25 s、350 s 時(shí)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(jìn)而進(jìn)入劇烈放電狀態(tài)，是常規(guī)浸沒式微弧氧化放電無法實(shí)現(xiàn)的；3 ～5 s 后，放電明顯增強(qiáng)，火花光點(diǎn)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(shí)伴有比浸沒式強(qiáng)烈的放電聲音。

放電過程在時(shí)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(shí)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(gè)過程的電壓升高迅速，沒有觀察到緩慢停留的現(xiàn)象，預(yù)示低壓誘導(dǎo)放電具有很高的成膜效率。這正是本實(shí)驗(yàn)追求的目標(biāo)，即利用較小的電源在較低的極間電壓下實(shí)現(xiàn)高效的微弧氧化放電，進(jìn)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(shí)火花體積變大，數(shù)量相對減少，表明放電已經(jīng)正式進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(dǎo)放電采用移動(dòng)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(shí)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(dǎo)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(yùn)動(dòng)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(dǎo)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(yùn)動(dòng)導(dǎo)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(yùn)動(dòng)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(dǎo)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(shí)陰極會(huì)移動(dòng)。在剛開始時(shí)，極間剛剛放電，沒有相對運(yùn)動(dòng)，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(dāng)放電穩(wěn)定后，陰極開始沿著工件表面移動(dòng)，這時(shí)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(dǎo)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(shí)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(jì)，利用高濃度堿性工作液，實(shí)現(xiàn)了微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電實(shí)驗(yàn)，并通過對該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察分析陰極移動(dòng)成膜特點(diǎn)，通過對極間電場的討論分析了微弧氧化低壓誘導(dǎo)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。