基于電流控制模式的鎂合金MAO過程及膜層生長(zhǎng)機(jī)理研究.pdf

1、微弧氧化處理技術(shù)(Micro-arc oxidation，MAO)是一種利用等離子體增強(qiáng)電化學(xué)方法在Mg、Al、Ti等金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜的表面改性技術(shù)，生成的陶瓷薄膜具有優(yōu)異的耐蝕和耐磨性能,較高的硬度和絕緣電阻。MAO過程消耗的能量是不斷變化的，合理分配不同生長(zhǎng)階段的電源能量，不僅能制備性能優(yōu)良的膜層，還能有效降低電能消耗。
　　基于以上研究背景，本課題首先研究恒定單一電流模式，并在此基礎(chǔ)上提出階段遞減調(diào)節(jié)電流模式。選用硅酸

2、鈉-磷酸鈉復(fù)合電解液，在ZK60鎂合金表面制備微弧氧化膜層。運(yùn)用掃描電鏡、能譜儀、激光顯微鏡、X射線衍射儀，以及全浸實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)和摩擦磨損等分析測(cè)試方法，研究不同電流控制模式對(duì)MAO膜層的微觀組織形貌、粗糙度、顯微硬度和耐蝕耐磨等性能的影響，并重點(diǎn)深入分析膜層生長(zhǎng)機(jī)制和成膜機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膜層生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的突破性研究。
　　在恒定單一電流模式下，研究正向電流對(duì)MAO膜層組織和性能的影響。較小電流時(shí)(0.6A、0.8A、1.0A、1.2A

3、)，MAO過程較為穩(wěn)定，高電壓作用時(shí)間長(zhǎng)，膜層綜合性能較好；大電流(1.4A、1.6A、1.8A)下，膜層疏松多孔，表面熔融物堆積，耐腐蝕性下降。因此，采用小電流有利于提高膜層質(zhì)量，同時(shí)節(jié)能減耗。
　　進(jìn)而，對(duì)恒定單一電流模式下膜層的生長(zhǎng)過程，成膜機(jī)理和膜層結(jié)構(gòu)展開研究。首先，根據(jù)MAO過程電壓-時(shí)間曲線和微弧放電變化規(guī)律，將其生長(zhǎng)過程分為五個(gè)階段：(1)陽(yáng)極氧化階段，(2)微弧氧化形成階段，(3)微弧氧化快速生長(zhǎng)階段，(4)微弧

4、氧化局部生長(zhǎng)階段，(5)膜層修復(fù)階段。其中，第一階段為引弧階段，而決定膜層厚度的是第二和第三階段，第四階段因局部大弧放電導(dǎo)致膜層燒蝕、溶解等缺陷，可利用第五階段低電壓的修復(fù)作用對(duì)膜層進(jìn)行修整。其次，同一試樣的正反兩面經(jīng)歷了“初期同步生長(zhǎng)”、“后期異步生長(zhǎng)”、“末期趨于一致”的MAO膜層生長(zhǎng)過程，顯示出MAO工藝具有“膜層生長(zhǎng)過程的差異性”和“膜層最終狀態(tài)的趨同性”的規(guī)律。不同生長(zhǎng)過程的表面元素和物相存在差異，表明在反應(yīng)過程中，各元素和物

5、質(zhì)是不斷傳輸和變化的。最后，膜層疏松層和致密層元素和物相是逐漸變化的，膜層外生長(zhǎng)與內(nèi)生長(zhǎng)交替進(jìn)行。
　　基于上述研究工作基礎(chǔ)，系統(tǒng)開展了兩階段、三階段和四階段遞減調(diào)節(jié)電流模式的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，階段遞減調(diào)節(jié)電流模式可延長(zhǎng)MAO過程的第三階段高壓作用時(shí)間，促進(jìn)膜層的擊穿生長(zhǎng)，并通過電流的階梯式平穩(wěn)過渡，膜層變得均勻、平整；第四階段的電壓比恒流模式時(shí)有所上升，第五階段低電壓變化平穩(wěn)，可對(duì)膜層進(jìn)行有效修復(fù)。通過不同階段調(diào)節(jié)模式和調(diào)節(jié)幅

6、度的綜合實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化了階段遞減調(diào)節(jié)電流模式的控制工藝。結(jié)果表明：1.2-0.6A兩階段遞減調(diào)節(jié)電流模式制得的膜層結(jié)構(gòu)致密，膜厚達(dá)27.91um，粗糙度最小，僅為3.662um，硬度最大為583HV、摩擦系數(shù)最小為0.4456，腐蝕速率僅為0.1559g/m2 h，耐腐蝕性最好，此模式顯著改善了膜層性能，并有效減小了工作電流，節(jié)能減耗顯著。
　　最后，通過MAO膜層宏觀形貌掃描、顯微硬度實(shí)驗(yàn)、微米劃痕試驗(yàn)、全浸腐蝕和電化學(xué)測(cè)試、摩