變電極結(jié)構的微弧氧化放電特性研究.pdf

1、隨著航空、航天事業(yè)的發(fā)展,輕量化設計已成為發(fā)展趨勢。鋁合金以比強度高、密度小、塑性好、無低溫脆性等優(yōu)點,現(xiàn)已被廣泛應用于航空航天、汽車、機械等領域。然而未經(jīng)強化處理的鋁合金硬度低,且在空氣中易氧化成疏松狀氧化膜,無法滿足某些應用場合的耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗溫度急變等需求,因此必須對其進行防護處理。微弧氧化是一種表面陶瓷化新型技術,該技術可在Al、Mg、Ti等輕金屬及其合金表面原位生長出一層致密的陶瓷層,陶瓷層與基體結(jié)合牢固,結(jié)構致密

2、,韌性高,具有良好的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫沖擊和電絕緣等特性,克服了其他同類技術的不足。微弧氧化研究雖然取得了階段性的成果,但高能耗問題仍然限制其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。為了降低微弧氧化工藝的能耗并獲得綜合性能較優(yōu)的陶瓷層,本課題對陽極放置方式、陰極對稱性(陰極數(shù)量)、陰極通透性(陰極結(jié)構)和陰陽極之間的電極距離進行了大量試驗研究,并在實驗次數(shù)較多且具有危險性的電極距離研究階段引入有限元軟件進行輔助分析,分別采用SEM、XRD、EDS檢測陶瓷

3、層的顯微結(jié)構、相結(jié)構和成分含量,得出以下結(jié)論:
　　陽極放置方式對微弧氧化放電特性的影響研究表明,陽極采用橫向和豎向兩種方式進行微弧氧化時,所獲得的陶瓷層綜合性能(陶瓷層厚度、不均勻性、表面形貌、顯微硬度等)存在一定的差異,與陽極豎向放置方式相比,橫向放置模式下的陶瓷層生長速率更為快速,最終所獲得的較厚的陶瓷層,且中心與邊角的膜厚比更接近1,陶瓷層表面流暢度更高,熱穩(wěn)定相α-Al2O3含量更高。兩種放置方式對放電特性參數(shù)的影響規(guī)律

4、也不盡相同,起弧電壓幾乎不受陽極放置方式的影響,穩(wěn)定電壓值大小相近,但仍存在5V左右差值。所需的平均制備能耗存在很大差異,除了能耗曲線變化趨勢不一致之外,陽極采用橫向放置時的能耗明顯較小。
　　變陰極結(jié)構(陰極數(shù)量和形狀)微弧氧化放電行為表明,在單、雙兩種陰極模式下,采用雙陰極對稱模式時更易起弧,但其所需的穩(wěn)定電壓整體高于單陰極。與單陰極模式相比,雙陰極電極模式下陶瓷層表面微弧放電更為劇烈,制備的陶瓷層厚度厚且數(shù)值分散性小,平均制

5、備能耗較小。采用單陰極時,陽極試樣背對陰極的一面生成的陶瓷層厚度大于正對陰極的一面。在電極距離(50 mm)較大的情況下,網(wǎng)狀陰極功效較微弱。與板狀陰極相比,網(wǎng)狀陰極模式下制備的陶瓷層厚度和所需的制備能耗無太大差距,但穩(wěn)定電壓有所下降,陶瓷層表面存在的微裂紋稍多,顯微硬度也相對較低。
　　電極距離對微弧氧化放電特性的影響研究表明,電極距離為70 mm、50 mm和30 mm時,有限元電壓及電場強度分布云圖與實驗總結(jié)的數(shù)據(jù)圖高度一致

6、,即:在其它參數(shù)一定的情況下,隨著陰陽極間距逐步減小,溶液表面的分壓逐漸減小,電場強度逐漸增強。電極距離縮減為10 mm時,電壓與電場強度的模擬與實驗產(chǎn)生分歧,導致這種差異最可能的原因是“氣罩效應”。觀察另一種形式下的電場強度分布發(fā)現(xiàn),常規(guī)實驗中經(jīng)常被檢測出的“邊角效應”,在有限元模擬的過程中精確的體現(xiàn)出來。實驗研究其它放電特性發(fā)現(xiàn),隨著電極距離的減小,起弧電壓明顯下降,且降低幅度逐漸增大。電極距離不斷變化的過程中,膜層表面形貌的變化類