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1 2 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 电源工作模式对微弧氧化过程和膜层性能的影响 侯伟骜，胡江辉，宋希剑 北京矿冶研究总院金属材料研究所，北京1 0 0 0 4 4 摘要通过对目前正在应用的各种徽孤氧化电源工作模式进行综合比较，探讨了它们各自的特点和适用 范固，并且通过实验研究了电源工作模式对微弧氧化过程和膜层性能的影响。 关键词电源；工作模式；微弧氧化 中围分类号T G l 7 4 ．2文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 【2 0 0 7 S o 一0 1 2 2 0 4 T h eI n f l u e n c eo fP o w e rS u p p l yM o d eO Ht h eP r o c e s sa n dP e r f o r m a n c e o fC o a t i n go fM i c r o - a r cO x i d a t i o n H O UW e i a o ，H UJ i a n g h u i ，S O N GX i ．j i a n 1 ∞f i t m eo fM e t a lM a t e r i a l s ，B e i j i n gG e n e r a lR e 8 e a t r e hI n s t i t u t eo fM i n i n g ＆M e t a l l u r g y ，g e i i l n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t ；D i f f e r e n tw o r k i n gm o d eo fs o m ee l e c t r i c a ls o u r c eo fm i c r o - a r co x i d a t i o ni nu s e di sc o m p a r e d ；t h es p e e i a l t ya n da r e a lo fa p p l ya r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y ，a n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp o w e rs u p p l yw o r k i n gm o d eO i “ 1 t h ep r o c e s sa n dp e r f o r m a n c eo fc o a t i n ga r ea l s oi n v e s t i g a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ． K e y w o r d s P o w e rs u p p l y ；W o r k i n gm o d e ；M i c r o a r eo x i d a t i o n 微弧氧化 M A O 又称为微等离子体氧化 M P O 或等离子体增强的电化学表面陶瓷化 P E C C 。微弧氧化现象早在2 0 世纪3 0 年代就有 报道[ 1 - 2 】，浸在液体里的金属在高电场下其表面会 出现火花放电现象。从2 0 世纪7 0 年代开始，美国、 德国、前苏联都开始研究此项技术。其中美国伊利 诺大学和德国卡尔马克思城工业大学等单位用直流 单向脉冲电源在A l 、T i 等阀金属表面火花放电生成 沉积膜。并将其命名为阳极火花沉积 A S D - A n o d i c S p a r kD e s p o s i t i o n 和火花放电阳极氧化 A N O F A n ． o d i s e h e nO x i d a t i o n gU n t e rF u n k e n tL a d u n g L 3 J6 之 后俄罗斯科学院无机化学所的研究人员采用交流脉 冲电源制备氧化膜，其电压较火花放电阳极氧化高。 称之为微弧氧化 M A O ．并于1 9 9 8 年研究了微弧 氧化在铝台金表面获得彩色陶瓷涂层技术。进入 2 0 世纪9 0 年代以后，美国、德国、俄罗斯和日本等 国家加快了微弧氧化技术的研究开发工作。目前就 总体而言，俄罗斯在该技术的研究与开发应用上一 直处于世界领先地位，在机理研究上提出了自己的 一整套完整理论，并且已成功应用于许多工业领域。 如航空、纺织、石油、交通等部门【4 J 。近十余年来， 我国也有很多单位对微弧氧化技术进行了广泛的研 究，研究重点主要集中于新型电源的研制、电解液配 方的开发和工艺研究等方面，特别是在微弧氧化新 型电源的研制方面取得了丰硕成果。 微弧氧化按电源模式的不同可分为直流氧化 法、单向脉冲氧化法和双向脉冲氧化法。最初的研 究都是基于直流氧化法进行的。1 9 3 2 年O n t e r ． s c h u l z e 和B e t z 第一次报道了浸在液体中的金属表 面在高压电场下出现了火花放电现象。火花对氧化 膜具有破坏作用，同时也有生成作用。此技术最初 采用的是直流模式，用在镁合金的防腐上。2 0 世纪 7 0 年代中期德国首先在微弧氧化研究中采用直流 单向脉冲电源。之后美国伊利诺伊大学开始使用直 作者简介作者简彳r 侯伟葺 1 9 8 0 一 ．男．甘肃庚用人，助理工程师，硬士 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 1 2 3 流单向脉冲电源研究在A I 、M g 、T i 、等阀门金属表面 火花放电沉积膜层[ 5 】。俄罗斯从2 0 世纪7 0 年代中 后期开始交流脉冲微弧氧化技术的研究。2 0 世纪 8 0 年代中后期，交流脉冲氧化法成为国际研究的热 点并成为目前工业应用最多、最成熟的微弧氧化电 源模式。由于脉冲特有的“针尖”特性作用．使得局 部阳极面积大幅度下降，表面微观重叠．形成粗糙度 小、厚度均匀的膜层，而且成本低廉，性能比直流电 源有较大改善。而交流双向脉冲电源模式加人的负 脉冲能中和绝缘膜层上的电荷积累，从而使微弧氧 化过程更加平稳，提高了膜层的生长速度。 1 影响微弧氧化过程和膜层性能的电 参数 影响微弧氧化过程和膜层性能的电参数主要有 电流密度、电压、脉冲频率、占空比等【6 ] 。 1 ．1 电流密度 已有研究表明，电流密度对微弧氧化膜厚度有 着决定性影响，同时也影响着膜层的硬度和致密性。 但是，微弧氧化电流密度的选定还必须与其他工艺 条件和性能要求相结合。这些工艺条件包括电解液 组成和温度基材成分、电源模式等。当微弧氧化初 期形成的一层致密初始氧化膜达到一定的最低厚度 后。如果电流密度还低于某一低限值．则微弧氧化过 程不能继续进行。对于以形成耐磨、耐蚀、耐热涂层 为目的的徽弧氧化工艺，电流密度在5 4 0A ／d i n 2 范围内选定是适宜的【7 “】。 1 ．2 电压 电压对微弧氧化膜层的影响可总结如下。在微 弧氧化处理过程中，当起始电压相等时，终止电压愈 高，陶瓷层厚度越厚；当终止电压相等时，起始电压 愈高，陶瓷层厚度也越厚；试样的表面粗糙度随微弧 氧化处理终止电压的升高而增加，与随起始电压变 化的关系不明显。通过延长微弧氧化处理的时间， 同时降低徽弧氧化处理的电压。可以获得袭面质量 好并具有一定厚度的陶瓷层。电压值不能过高。否 则将造成陶瓷膜层的破坏。另外，在微弧氧化过程 中，加压速度和一次加压幅度等都会膜层外观和厚 度造成很大的影响”j 。 ‘ 1 ．3 脉冲频率和占空比 脉冲频率对膜层厚度的影响并不大，远小于电 流密度的影响；对于膜层的抗腐蚀能力而言，其随频 率增大的变化规律为由小到大再变小，中间出现最 大值[ 1 0 】。但是，脉冲频率的高低可明显改变陶瓷层 的相结构，有研究表明，高频下组织中非晶态的比例 远远高于低频试样，其最高可达到9 5 ％D I ] 。占空 比的影响规律大致相同。同时频率和占空比对微弧 氧化膜层的表面微孔直径和膜层结合力都有一定影 响。 2 微弧氧化电源的发展现状 目前使用的微弧氧化电源大致可以分为以下几 种 。 1 直流电源。此种电源输出为直流。具有稳压 功能。电源操作简单，价格便宜。 2 单向脉冲电源，包括单向直流脉冲电源和从 电网直接获得最大脉冲电流的单向交流脉冲电源。 此种电源输出为单向脉冲，通常具有脉冲幅值稳压 功能。电源结构较简单，价格便宜。 3 直流叠加脉冲电源。此种电源可在带载情 况下通过调节直流电压和脉冲电压实现直流、单向 脉冲和直流叠加脉冲三种输出模式。脉冲频率和占 空比可调。 4 双向非对称脉冲电源。此种电源通过加入 负向脉冲使得微弧氧化工艺比其他电源模式有更多 种选择。通常正负脉冲频率及占空比均独立可调。 其中以双向非对称脉冲电源的工艺适应性最 好．应用也最为广泛。现在国内的大部分双向非对 称脉冲电源都是采用两个相互独立的电源进行叠加 组成。在两个电源之间加上切换装置来控制正负脉 冲电流的截止和导通。电源的主电路部分通常由输 人变压器、可控硅整流电路、I G B T 斩渡变换电路和 逆变电路组成。通过加入以单片机为核心的数字控 制电路，用户可以方便地选择在单向或双向、对称脉 冲或非对称脉冲、恒压模式或恒流模式等多种电源 模式下工作，同时增加了电源的稳定性和一致性。 双向非对称脉冲电源有效地克服了其他电源模式在 使用中存在的缺点。例如，由于脉冲关断时间的存 在，双向电源不存在直流电源由于阴极浓度差所产 生的极限电流密度，从而提高了膜层的生长速度和 厚度；单向脉冲电源的膜层生长速度较慢、加工时间 较长，而且膜层的均匀性软差、易出现缺陷，双向脉 冲电源通过对正负脉冲幅度、宽度和频率等参数的 优化选择．能够大幅提高生产效率。同时获得良好、 均匀的陶瓷层。但是，这样也必然使得电源的电路 复杂化、造价提高。因此对于双向非对称脉冲电源 而言，适用、便宜而且可靠的电源结构将是今后电源 设计方案的基本出发点。 万方数据 1 2 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 市场上现有多种双向非对称脉冲微弧氧化电源 可供选择，普遍具有大功率、多功能、可编程精确控 制、抗电磁干扰以及自保护等优点．生产平稳、可靠， 对电网干扰小。例如哈尔滨工业大学生产的W H D 系列、成都普斯待电气有限公司生产的M A O 系列、 广州市精源电子设备有限公司生产的J Y w 系列、 兰州理工大学生产的M A O 系列等。 3 不同电源工作模式对微孤氧化过程 和膜层性能的影响 通过实验来比较单相脉冲电源模式和双向非对 称脉冲电源模式对微弧氧化过程和膜层性能的影 响。使用改进后的俄制M A C - i 0 0 微弧氧化电源对 A Z 9 1 D 镁合金 铸态 进行微弧氧化处理。分别使 用单向交流脉冲和双向非对称脉冲两种工作模式， 正楣起始电压 4 0 0v 、频率 s oH z 相同，双向非对 称脉冲选取占空比1 0 ％、负电压1 0 0V 、负脉冲频率 2 0H z 。微弧氧化时间相同，均为3 0r a i n 。使用 J S M 一6 7 0 0 F 型扫描电子显微镜对膜层的表面和截面 进行形貌观察，使用D 8 A D V A N C E 型x 射线衍射 分析仪对膜层进行相组成分析。使用N a n oI n d e n t e rI I 型纳米力学探钎测试所得膜层截面的平均显 微硬度。 3 ．1 膜层的表面和截面形貌 两种电源模式下所得膜层的表面和截面形貌如 图1 所示。 囤1 单向交流脉冲电源 a ，b 和双向非对称脉冲电源 e 。d 所得 徽弧氧化膜层的表面和截面形貌 F i g ．1M o r p h o l o g i e so fs u r f a c ea n ds e c t i o no fM A O f i l m su n d e rs i n g l ed i r e c t i o n A Cp u l s em o d e a ．b a n dd o u b l ed i r e c t i o nu n s y m m e t r i c a lp u l s em o d e c 。d 】 由图l 可见，相同时间内由单向交流脉冲电源膜层中氧化物的衍射强度明显强于单向交流脉冲电 制得的膜层表面明显比双向非对称脉冲电源得到的源制得的膜层。 膜层粗糙。虽然膜层厚度相当，但由截面图中可见 3 ．3 膜层的显微硬度分析 前者明显比后者疏松。对所得微弧氧化膜层进行了纳米力学探针显微 3 ．2 膜层的相组成分析 ． 硬度测试。单向交流脉冲电源所得膜层的平均硬度 两种电源模式下所得膜层的X R D 相组成分析值为3 1 5M P a H v 0 ．2 ，双向非对称脉冲电源所得膜 结果如图2 所示，各相的衍射强度见表1 。层的平均硬度值为3 3 1M P a H V o2 。两者的显微 由此可见，由电源模式的不同而引起的膜层相硬度大致相当。 组成差异较为明显，双向非对称脉冲电源所制得的 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 1 2 5 表1 T a b l e l a 单向空流脉冲电源 iA l M g 。．J ； 黝 台跚 f l吐m ⋯ 枷 2 鲫o 圈2 F i g ．2 b 烈向非对称棘冲电源 1 ；武．施。 M g o 。- z 札“ ●M g O t 台船 o M g 1 0 4 ． 1 _ “b ．I 。三l 1 0 02 0ⅢJd】80 0 钟P ’ 微弧氧化膜层的X R D 图 X R Dp a t t e r no fM A Of i l m s 膜层中各相的衍射强度 应用[ J ] ．材料保护，2 0 0 1 ，M 1 1 7 1 8 X - r a yd i f f r a c t i o nI n t e n s i t yo f ．p h a s e so fM A O 3 结论 目前有多种微弧氧化电源和电源工作模式可供 生产和研究使用．不同电源工作模式在膜层生长速 度、致密性、均匀性、显微硬度、表面质量等方面存在 一定的差异。在膜层设计之初就应根据基体材料的 特点以及对膜层性能的不同要求选择适宜的微弧氧 化电源和电源工作模式．力求在提高生产效率、改善 膜层质量的同时尽可能简化操作程序，降低生产成 本。 参考文献 [ 1 】卢立红，沈蓓久．王玉林．徽弧氧化陶瓷膜层的性艏及其 [ 2 ] G u n t h e r s c h u l z eA ．R e t zH ．N e u eU n t e r s u e h t m g e nu b e rd i e e l 矗．t r o l y t i s c h eV e n t i l w i r k t m g [ J 】．Z ．P h y s ．，1 9 3 2 ，7 8 1 9 6 2 1 0 ． [ 3 ] 薛文斌，邓志威，来永春，等．有色金属表面微弧氧化技 术评述【J 】．金属热处理，2 0 0 0 t 1 2 ． [ 4 ] V i j I lAK ．S p a r k i n gv o l t a g e sa n ds i d er e a c t i o n sd u r i n g “ o d i z a t i o ao fv a l v em e t a L si nt e r l l 噶o fd e e t r o nt t l n n d l n g 【J 】 ．C o r r s ．S i c ．，1 9 7 1 ，1 1 4 1 1 4 1 7 ． [ 5 ] 石玉龙．等离子体徽孤氧化技术及其应用[ J 】．青岛化工 学院学报，2 0 0 2 ．2 3 1 7 0 7 3 ． [ 6 ] 张新平，熊守美，许庆彦．微弧氧化工艺参数对覆盖层厚 度的影响规律模型[ J 】．材料保护。2 0 0 4 8 1 9 2 2 - [ 7 3 李撒华，程金生，尹玉军．微弧氧化过程中电藏和电压变 化规律的探讨[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 1 3 4 7 ． I s ] 贺子凯．电流密度对微弧氧化膜层厚度和硬度的影响 [ J 】．表面技术．2 0 0 3 ，3 2 3 ；2 1 2 3 ． ， [ 9 ] 陈宏，郝建民，壬利捷．镁台金般弧氧化处理电压对陶瓷 层的影响[ J 】．表面技术。2 0 0 4 6 1 7 一i 9 ． [ 1 0 ] 粱永政．镁台金表面徽弧氧化工艺的研究【D ] ．兰州 兰州理工大学硕士学位论文．2 0 0 2 ． [ 1 1 ] 翁海峰，陈秋龙，蔡j 向，等．脉冲占空比对纯韬傲弧氧化鹿 的影响[ J 】．袭面技术，2 0 0 5 ，3 4 5 5 9 一6 2 ． 万方数据