能量輸出模式對鎂合金微弧氧化起弧能耗的影響

馬安博， 高 翔

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空材料工程學(xué)院，陜西西安710089；2.中國空間技術(shù)研究院西安分院，陜西西安710048）

·陽極氧化·

能量輸出模式對鎂合金微弧氧化起弧能耗的影響

馬安博1， 高 翔2

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空材料工程學(xué)院，陜西西安710089；2.中國空間技術(shù)研究院西安分院，陜西西安710048）

對微弧氧化起弧前不同能量輸出模式下的AZ31鎂合金試樣進(jìn)行了電性能測試、能譜和掃描電鏡分析，測定了不同能量輸出模式下微弧氧化起弧的能耗及最小能耗模式下起弧臨界條件。結(jié)果表明：固定脈數(shù)時，起弧時間隨脈寬的增大而縮短，起弧能量在脈寬為30μs時最??；固定脈寬時，起弧時間隨脈數(shù)的增加而縮短，起弧能量在脈數(shù)為1 650時最小。當(dāng)脈寬為30μs，脈數(shù)為1 650，峰值電流密度為50 A／dm2時，起弧能耗最小，為2.4 kJ。

微弧氧化；起弧時間；起弧能量

0 前言

微弧氧化是一種在Al、Mg、Ti、Nb、Zr等有色金屬及其合金表面用等離子體化學(xué)和電化學(xué)原理原位生長陶瓷質(zhì)氧化膜的表面處理技術(shù)。該技術(shù)與其他同類技術(shù)相比，所得膜層的綜合性能有較大提高。另外，該技術(shù)具有工藝簡單、易操作、處理效率高、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，為Al、Mg、Ti及其合金的表面改性開辟了一條新的道路。

截至目前，微弧氧化的電源設(shè)計、處理過程中電參量輸出模式制定及電解液選配尚處于無系統(tǒng)理論支撐的經(jīng)驗嘗試與積累階段，導(dǎo)致陶瓷層形成與生長過程中的電量消耗遠(yuǎn)高于鎂合金制品所能承受的表面處理成本，嚴(yán)重制約了微弧氧化技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，系統(tǒng)研究鎂合金微弧氧化陶瓷層形成與生長過程中的電量消耗機(jī)制顯得尤為重要。本實驗在不同能量輸出模式下測定了鎂合金表面起弧所需能量及起弧臨界條件，為系統(tǒng)研究能量消耗機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

1 實驗

本實驗采用的材料是AZ31鎂合金。其主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Al 3.0%～3.2%，Zn 0.8%，Mn 0.4%，Mg余量。試樣為50 mm×50 mm×3 mm的小方塊。預(yù)處理過程鎂板為： 切→割 →鉆孔→粗磨→ 細(xì) 磨→ 拋 光→ 清 洗→ 脫 脂→烘干備用。鎂合金和不銹鋼板分別作陽極和陰極。電解液是硅酸鈉溶液體系，由硅酸鈉、氫氧化鉀、氟化鉀及去離子水按照一定比例配制而成。

2 結(jié)果與討論

本實驗采用MAO-1500型微弧氧化專用電源及TDS-1002B型數(shù)字示波器。與前幾代電源相比，新型電源用脈寬和脈數(shù)取代了原先的占空比和頻率。脈寬指一個脈沖時間內(nèi)的導(dǎo)通時間；而脈數(shù)指的是一秒鐘內(nèi)所通過的脈沖個數(shù)。TDS-1002B型示波器可準(zhǔn)確讀出輸出的電流脈寬、脈數(shù)等參數(shù)。

在不同的脈寬、脈數(shù)及峰值電流下，制備不同的鎂合金微弧氧化起弧瞬間樣品，并記錄起弧時間、起弧電壓，最后根據(jù)如下公式計算得出起弧所需能量。

式中：Ia為平均電流；U為電壓；t為時間；Δt為脈寬；n為脈數(shù)。

2.1 脈寬對起弧過程能耗的影響

為了檢測脈寬對起弧過程能耗的影響，將微弧氧化電源的輸出脈數(shù)設(shè)置為550，峰值電流密度分別設(shè)置為50 A／dm2、100 A／dm2、200 A／dm2和300 A／dm2，脈寬分別設(shè)置為15μs、30μs、60μs和90 μs，記錄實驗中的起弧電壓和起弧時間，結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1可知：當(dāng)電流密度為50 A／dm2和100 A／dm2時，隨著脈寬的增大，起弧電壓先降低后升高，總體呈上升趨勢；當(dāng)電流密度為200 A／dm2和300 A／dm2時，隨著脈寬的增大，起弧電壓先降低后升高再降低，總體呈下降趨勢。結(jié)合以上四條曲線進(jìn)行分析，得出起弧電壓呈如下規(guī)律性變化：隨著脈寬的增大，在電流密度較低時，起弧電壓總體呈上升趨勢；在電流密度較高時，起弧電壓總體呈下降趨勢。但在不同的峰值電流密度下都有一個共同點，即脈寬為30μs時起弧電壓最小。

由圖2可知：無論是在高電流密度下還是在低電流密度下，隨著脈寬的增大，起弧時間縮短。脈寬從15μs增至30μs，起弧時間明顯縮短；從30μs增至90μs，起弧時間縮短的趨勢不明顯。

考慮以上兩個綜合因素對能量消耗的影響，利用公式（2）計算得出如圖3所示的結(jié)果。

由圖3可知：隨著脈寬的增大，當(dāng)電流密度為50 A／dm2、100 A／dm2、300 A／dm2時，起弧能量先減小后增大；當(dāng)電流密度為200 A／dm2時，起弧能量先減小后增大再減小。結(jié)合以上四條曲線分析可知，當(dāng)脈寬為30μs時，起弧能量最低。在較大脈寬下，雖然起弧時間很短，但是起弧電壓很高，導(dǎo)致起弧能耗高。而在較低脈寬下，雖然起弧電壓低，但是耗時很長，所以能耗也較大。綜合考慮起弧電壓和起弧時間，當(dāng)脈寬為30μs時，起弧電壓不是很高，起弧時間也不太長。無論是高電流密度還是低電流密度，對應(yīng)脈寬為30μs時能耗最低。

通過以上分析可知：脈寬為30μs時，不僅起弧時間較短，而且能耗小。脈數(shù)為550，峰值電流密度為50 A／dm2時，脈寬為30μs，最小能耗為3.9 kJ；脈寬為15μs，能耗最大為11.2 kJ。兩者之間的差值能耗屬于浪費，并沒有對微弧氧化起到積極作用。

2.2 脈數(shù)對起弧過程能耗的影響

為了觀察脈數(shù)對起弧電壓的影響，設(shè)定實驗條件為：脈寬為30μs，峰值電流密度分別為50 A／dm2、100 A／dm2、200 A／dm2和300 A／dm2，脈數(shù)分別為550、1100、1650和2 000。改變實驗參數(shù)進(jìn)行實驗，分別記錄起弧電壓和起弧時間，結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4可知：隨著脈數(shù)的增加，無論是在高電流密度下還是在低電流密度下，起弧電壓都是先降低后升高，總體呈上升趨勢。結(jié)合以上四條曲線分析可知，脈數(shù)為1 650時，起弧電壓最小。

由圖5可知：隨著脈數(shù)的增加，無論是在高電流密度下還是在低電流密度下，起弧時間均越來越短。脈數(shù)從550增至1 100時，起弧時間明顯縮短；脈數(shù)從1 100增至2 200時，起弧時間變化不明顯。

考慮以上兩個綜合因素對能量消耗的影響，利用公式（3）計算得出如圖6所示的結(jié)果。

由圖6可知：隨著脈數(shù)的增加，起弧能量先減小后增大。當(dāng)電流密度為50 A／dm和100 A／dm2時，起弧能量減小后增大的趨勢較?。划?dāng)電流密度為200 A／dm2和300 A／dm2時，起弧能量減小后增大的趨勢比較明顯。結(jié)合以上四條曲線分析可知，脈數(shù)為1 650時，起弧能量最小。這是由于脈數(shù)較大時，起弧時間雖然最快，但是起弧電壓較高，導(dǎo)致起弧能耗高。由脈數(shù)對起弧電壓的影響可知，當(dāng)脈數(shù)為1 650時，起弧電壓最小，此時起弧時間又不是很長，所以起弧能耗最小。

通過以上分析可知，當(dāng)脈數(shù)為1 650時，時間較短，起弧能量最小。當(dāng)脈寬為30μs時，峰值電流密度為50 A／dm2；當(dāng)脈數(shù)為1 650時，起弧能量最小為2.4 kJ；當(dāng)脈數(shù)為550時，起弧能量最大為3.9 kJ。兩者之間的差值能量屬于浪費，沒有對微弧氧化起到積極作用。

2.3 起弧的臨界條件

2.3.1 起弧前不同時刻的表面狀態(tài)

為了研究鎂合金微弧氧化起弧的臨界條件，選定一組實驗參數(shù)進(jìn)行實驗：脈寬為30μs，脈數(shù)為550，峰值電流密度為50 A／dm2。由以上實驗結(jié)果得知，這一組試樣的起弧時間為68 s。不改變實驗參數(shù)，進(jìn)行微弧氧化，分別做到15 s、30 s、45 s、60 s、68 s時停止實驗，對五組起弧前不同時間段的試樣進(jìn)行表面形貌、能譜和阻抗分析。表面形貌分析結(jié)果，如圖7所示。

由圖7可知：起弧前，隨著時間的延長，試樣表面不斷發(fā)生變化。試樣表面開始出現(xiàn)顆粒狀物質(zhì)，并不斷增加。隨著時間的延長，顆粒狀物質(zhì)越來越多且越來越大，最終連成片，覆蓋整個樣品表面。這說明微弧氧化起弧前，試樣表面已經(jīng)開始發(fā)生變化。

為了確定這些顆粒狀物質(zhì)的成分，又對其進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：在樣品起弧前期，表面出現(xiàn)的這些顆粒狀物質(zhì)僅含有Mg、O，即可初步斷定為MgO，與陽極氧化生成物一致。將樣品置于電解液中，通電后，試樣表面出現(xiàn)細(xì)小均勻的白色氣泡。隨著電壓的升高，氣泡逐漸變大變密，產(chǎn)生速度也逐漸增大。這一現(xiàn)象一直持續(xù)到擊穿電壓之前，此階段為陽極氧化階段。

2.3.2 起弧前不同時刻的表面阻抗分析

為了研究起弧前試樣表面的交流阻抗，分別對起弧前不同時刻（15 s、30 s、45 s、60 s、68 s）對應(yīng)的試樣進(jìn)行交流阻抗分析。脈寬為30μs，脈數(shù)為550，峰值電流密度為50 A／dm2時，對應(yīng)15 s、30 s、45 s、60 s、68 s的表面交流阻抗曲線，如圖9所示。

隨著通電時間的延長，表面的Mg O顆粒逐漸增多，直到起弧瞬間時，由陽極氧化生成的MgO層覆蓋整個樣品表面。由圖9可知：其對應(yīng)的交流阻抗也逐漸升高，而且阻抗的增長速度逐漸加快。直到68 s起弧瞬間，達(dá)到3.095E4Ω。阻抗的升高是電壓升高的一個主要原因。根據(jù)歐姆定理，在保證峰值電流不變的條件下，隨著電阻的升高，必然導(dǎo)致電壓升高。直到電壓足夠高，能夠擊穿表面Mg O陶瓷層，達(dá)到起弧，進(jìn)入陶瓷層生長增厚階段。在通電初期，樣品表面形成高阻抗障礙層，是微弧氧化前期臨界起弧必不可少的條件。

3 結(jié)論

（1）在固定脈數(shù)的條件下，隨著脈寬由15μs增加到90μs，起弧電壓呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，起弧時間逐漸縮短。而當(dāng)脈寬為30μs，峰值電流密度為50 A／dm2時，起弧能耗最小，僅為3.9 kJ。

（2）在固定脈寬的條件下，隨著脈數(shù)由550增加到2 200，起弧電壓呈先降低后升高的趨勢，起弧時間逐漸縮短。脈數(shù)為1 650，峰值電流密度為50 A／dm2時，起弧能耗最小，僅為2.4 kJ。

（3）在微弧氧化通電初期，樣品表面形成初期Mg O層，隨著時間的延長阻抗不斷增加，直到阻抗達(dá)到3.095E4Ω時，出現(xiàn)起弧現(xiàn)象。因此，高阻抗障礙層是微弧氧化前期臨界起弧必不可少的條件。

Effect of Energy Output Modes on Arc-striking Energy of Magnesium Alloy Micro-arc Oxidation

MA An-bo1， GAO Xiang2
（1.Aeronautical Materials Engineering Institute，Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi’an 710089，China；2.CAST-Xi’an Institute of Space Radio Technology，Xi’an 710048，China）

Electrical performance test，energy spectrum and scanning electron microscope analysis were made for AZ31 magnesium alloy samples which had been micro-arc oxidized before arcing under different energy output modes，and the arc-striking energy consumption for arcing of micro-arc oxidation under different energy output modes and the critical conditions for arcing of micro-arc oxidation under minimum energy consumption mode were determined.Results showed that the arc-striking time decrease with the increasing of pulse width when pulse number constant，the arc-striking energy is minimum at 30μs.Similarly，the arc-striking time decreases with the increasing of pulse number when pulse width constant，the arc-striking energy is minimum at 1 650.Under the conditions of pulse width 30μs，pulse number 1 650，peak current density 50 A／dm2，the arc-striking energy is lowest，of about 2.4 kJ.

micro-arc oxidation；arc-striking time；arc-striking energy

TG 174 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1000-4742（2015）06-0038-04

2015-01-28