镁合金微弧氧化边角烧蚀的ANSYS仿真研究

曹克宁*，白晶莹，张立功，王景润，李思振，冯立

（北京卫星制造厂热表工程中心，北京 100190）

微弧氧化(MAO)是一种在有色金属表面原位生长陶瓷层的表面处理技术[1-5]，又称等离子体氧化或阳极 火花沉积。微弧氧化突破了传统阳极氧化工作电压的限制，将工作区域由法拉第区延伸至高压放电区，利用微弧区瞬间高温烧结作用直接在Al、Mg、Ti 等阀金属表面原位生长陶瓷膜。通过该方法制备的陶瓷膜层致密、均匀，膜层与基体达到了完美的结合，兼有金属材料和非金属材料的优良性能。故微弧氧化技术相对于传统表面处理方法具有相当大的优势和发展潜力。

在微弧氧化过程中，氧化电压和氧化电流对获得高性能的氧化膜层起着至关重要的作用，但是随着施加在阳极上氧化电压或氧化电流的增加，试样易出现剧烈的尖端放电现象，产生大量焦耳热，使试样边角处产生烧蚀现象，导致产品报废。易产生边缘烧蚀的主要是尺寸较大的薄壁试样。

在微弧氧化膜层的制备过程中，如何控制尖端放电效应，保证试样边角处膜层的质量，是获得符合要求产品的关键。目前，对于微弧氧化过程中边缘烧蚀问题的研究，主要集中在工艺条件的探讨或添加剂的改良方面。本文尝试利用ANSYS 软件对微弧氧化过程中阳极电场强度分布进行模拟，分析试样上设置辅助阳极的可行性，并通过实验进行验证，以期为微弧氧化工艺中的边角烧蚀问题提供解决途径[6-7]。

1 静电场分析原理

静电场问题遵循麦克斯韦方程组：

其中∇代表哈密顿算符，E 为电场强度，D 为电感强度，ρ 为自由电荷密度。

其中ε 为介电常数。

为便于求解，引入电位V，其与E 的关系为：

由式(2) ～ (4)可得泊松方程：

有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法。它首先将变分问题离散化为普通多元函数的极值问题，最后归结为一组多元代数方程组，解之即得待求边值问题的数值解。

2 边缘烧蚀模拟

以AZ40M 镁合金为研究对象[8-10]，试样规格为300 mm × 300 mm × 5 mm，辅助阳极截面尺寸为5 mm × 5 mm，其中试样尺寸固定不变，试样与辅助阳极的间距M 为变量(见图1)。采用ANSYS 软件，对M 分别取0(即无辅助阳极)、30、60 和90 mm 进行模拟，分析辅助阳极的存在及相对位置对试样边角烧蚀的影响。

图1 微弧氧化试样及辅助阳极示意图 Figure 1 Schematic diagram of MAO specimen and auxiliary anode

2.1 建立有限元模型[11]

在分析中为了节约计算时间并方便观察结果，对试样进行简化，去除其表面加强筋，将辅助阳极连接于挂具上。由于试样处于电解液体系中，因此在AZ40M试样周围区域建立电解液模型，如图2a所示，内部为试样及辅助阳极，外层为电解液和不锈钢槽体模型。在模拟中，试样与辅助阳极作为反应阳极，不锈钢槽作为反应阴极。

图2 微弧氧化体系模型及试样的网格细分 Figure 2 Model simulating MAO system and finite subdivision of specimen

在计算过程中，既要保证求解结果的精度，又要减少计算机运算量；因此，对该模型进行网格划分。试样及辅助阳极附近为电场强度分布的主要区域，因此对其网格进行细分，如图2b所示。外层电解液中，距离试样较近的区域，亦对其进行细分，距试样较远的部分，网格划分相对粗大。

2.2 加载和求解

在微弧氧化过程中，载荷为阳极上加载的200 A电流和阴极上加载的0 A 电流。在电解液表面加上边界条件，即外部电流全部为0 A。

2.3 模拟结果分析

该仿真使用ANSYS 静电分析，根据麦克斯韦方程自动求算结果。图3为加载200 A 载荷后试样表面的电场强度矢量图。分析结果显示，试样边角处的电场强度明显高于试样表面中间区域[12]。

图3 电场强度矢量分布图 Figure 3 Electric field intensity vector distribution

2.3.1 电流对边缘烧蚀的影响

在模拟分析中，选择不同的电流作为载荷，分析不同电流下微弧氧化过程中无辅助阳极时试样表面的电场强度分布。图4是在50、100 和200 A 载荷条件下，以Y 轴(图2b)为坐标，在试样表面上方1 mm 处作对角线，以对角线作为路径，提取该路径上的电场强度值，所得电场强度曲线如图4所示。由图4可知：在试样上加载不同电流后，试样边角处的电场强度高于试样中部；当电流较小时，试样边角处与中部的电场强度差值较小，随着电流的增大，该差值明显增大，即随着载荷的增加，试样表面电场强度分布均匀性变差。

图4 不同电流下Y 轴向微弧氧化试样的电场强度曲线 Figure 4 Electric field intensity curves for MAO specimen along Y axis at different currents

在微弧氧化过程中，需要有较高的能量击穿膜层，产生等离子放电，促进膜层生长。当电场强度较小时，电压无法击穿膜层促进膜层生长，故需要提高载荷，以提供足够的能量。但是，在较高的电流密度下，试样不可避免地产生边角烧蚀问题，故拟通过加设辅助阳极解决上述问题。

2.3.2 辅助阳极对边缘烧蚀的影响

图5为电场强度分布云图，当不设置辅助阳极(即M = 0 mm)时，试样上电场强度分布如图5a 所示。相比试样中部，边角处电场强度较强。设置辅助阳极后，电场强度较强区域出现在辅助阳极上，而试样上的电场强度明显减小。

图5 微弧氧化试样及辅助阳极电场强度分布云图 Figure 5 Electric field intensity distribution of MAO specimen and auxiliary anode

同样以Y 轴为坐标，在试样表面上方1 mm 处作对角线，以对角线作为路径，提取该路径上的电场强度值，所得结果如图6所示。

图6 辅助阳极与试样的间距不同时Y 轴向微弧氧化试样的 电场强度曲线 Figure 6 Electric field intensity curve for specimen along Y axis at different MAO spaces between auxiliary anode and specimen

由图6可知：无辅助阳极时(曲线1)，试样表面电场强度较高，且边角处与试样中部的电场强度差值较大，电荷易集中于边角处；随着辅助阳极的设置，试样表面电场强度明显下降，同时试样边角处与中部的电场强度差值明显减小，较好地改善了试样表面电场强度的均匀性；但是当辅助阳极与试样的间距M 为90 mm 时，在相同的载荷下，试样表面的电场强度增大，而试样边角与中部的电场强度差值也增大。这说明：在理论上，辅助阳极的设置可以避免试样边角的烧蚀现象，而且必须与试样保持一定的距离，当距离较大时，辅助阳极的作用减弱。

从图7分析可知：未设置辅助阳极(即M = 0 mm)时，试样表面焦耳热[13]较大且主要集中在试样边角处；设置辅助阳极后，其表面焦耳热明显降低且集中在辅助阳极的边角处，避免了试样边角处焦耳热的大量聚集。

图7 微弧氧化试样及辅助阳极焦耳热分布云图 Figure 7 Joule heat distribution of MAO specimen and auxiliary anode

电流密度J 与电场强度E 满足以下关系：

其中σ 为电导率。

在微弧氧化过程中，边角处电流强度较大，由式(6)可知，边角处电流密度也较大。相比试样的其他区域，该处氧化膜层生长较快。由于陶瓷膜层电阻较高，因此在边角处产生大量的焦耳热。故在相同氧化时间内，试样中部氧化膜较薄，而边角处氧化膜已经烧蚀。设置辅助阳极后，试样表面各处电场强度更为均匀，膜层生长速率相近，所得膜层厚度较为均匀，很好地避免了氧化过程中边缘烧蚀问题的出现。

2.4 实验验证

通过上述模拟，从理论上证明了设置辅助阳极解决试样边角烧蚀的有效性，故进行试验，以验证理论分析。实验中，采用WH-100 型脉冲微弧氧化电源，磷酸-硅酸钠体系电解液(其电阻率为1.8 Ω·m)。反应槽为1Cr18Ni9Ti 不锈钢材质，与电源负极相连，作为反应阴极，其电阻率为7.3 × 10-7Ω·m；试样与辅助阳极均为AZ40M 镁合金，其电阻率为9.2 × 10-8Ω·m。氧化过程中采用低温循环水浴控制电解液温度。膜层制备流程为：有机溶剂除油─微弧氧化─清洗。

实验中，分别使用未设置辅助阳极和设置辅助阳极(M = 60 mm)的试样进行氧化，加载电流均为200 A。挂具采用螺接的方式与试样连接，辅助阳极采用捆绑的方式固定于挂具上。在反应过程中，未设置辅助阳极时，试样边角处火花明显多于试样中部，边角处反应较为剧烈；设置辅助阳极后，试样表面火花分布较为均匀。经过20 min 的氧化，2 个试样边角处膜层的外观如图8所示。未设置辅助阳极的试样(图8a)直角处膜层烧蚀并脱离，边缘膜层表面存在大量白点，膜层质量较差，而试样中部区域膜层质量较好；设置辅助阳极的试样(图8b)表面各区域膜层质量均较好，没有出现烧蚀、脱离现象。

图8 设置辅助阳极前后微弧氧化试样边角的烧蚀情况 Figure 8 Brim ablation of MAO specimen before and after using auxiliary anode

ANSYS 模拟是在完全理想的情况下进行的，虽然不可能完全与实际情况相符，但可为解决微弧氧化边角烧蚀提供一个有效的分析方法。在理论分析的基础上再开展工艺实验，可以达到事半功倍的效果。

3 结论

(1) 以AZ40M 镁合金为研究对象，分别对未设置辅助阳极和设置辅助阳极的试样进行静电场模拟，结果表明：在微弧氧化过程中，辅助阳极的设置可以有效地改善试样表面电场强度分布的均匀性，从而避免氧化过程中使用较大电流时，试样边角处电荷的聚集；而辅助阳极的效果，受辅助阳极与试样的相对位置的影响。

(2) 验证实验中，采用辅助阳极时所得微弧氧化试样边角处的氧化膜状况良好，无烧蚀现象发生，与模拟分析结果相吻合。

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