微弧氧化低压诱导放电过程分析

吕鹏翔 姜 岩 曾 娜 张思源

（大连大学 机械工程学院，大连 116200）

1 研究背景

微弧氧化技术因其能够在铝、镁、钛等轻合金的表面生成一层耐腐蚀、耐摩擦的陶瓷膜[1]而对这些轻金属进行有效防护，进一步扩大了它们的应用领域，有利于工程机械实现轻量化。例如，汽车的轻量化对铝合金、钛合金的应用，对实现碳达峰、碳中和的节能环保事业的贡献。然而，微弧氧化基于等离子体放电的自身特点导致其加工处理的能源消耗较高，处理能力受到限制。

为了解决上述矛盾，研究人员提出了各种方法。吴成奉等提出铝合金射流微弧氧化层工艺，以期能够对大面积工件进行处理，以提高处理能力[2]。王玉林等提出微弧氧化刷镀陶瓷层技术，采用刷镀微弧氧化的方法在铝质材料上制备陶瓷层，以期扩大微弧氧化加工能力[3]。更多的研究人员则是从改善工艺参数的角度，以期获得高的成膜效率和大的处理面积[4-5]。然而，这些方法都没有改变微弧氧化极间电压较高导致实时能量消耗较大的问题。本文利用高浓度工作液与管状电极结合，获得在低电压放电且能够高效成膜的低压诱导放电微弧氧化，有效降低了实时功率消耗，并能够解决大面积工件处理问题。

2 实验方法

试件为2A12 铝合金，尺寸为80 mm×40 mm× 1.5 mm。阴极由传统的工作液槽转化为具有内充液功能的管状电极。该电极壁厚0.25 mm，管电极的内部径为2 mm，材料为316 不锈钢。实验时，利用潜水泵把工作液自一端注入阴极，并由阴极的另一端以一定的速度喷出射向工件表面，阴极端面距工件表面距离为1～2 mm。阴极在工件表面做匀速直线往返运动，速度约为10 mm·min-1。实验在改造的三轴工作台上进行，时间为30 min。

本实验所使用的电源为团队自主研发的2.0 kW双向脉冲电源，采用双向脉冲放电，实验脉冲宽度与脉冲间隙为200 ～5 000 μs 可调，占空比为5%～25%，采用先恒流再恒压的加工模式。实验所用的工作液为碱性工作液，配比为氢氧化钾15 g·L-1和硅酸钠30 g·L-1。

3 微弧氧化低压诱导放电过程

常规浸没式微弧氧化放电需要经过钝化阶段和火花放电阶段，然后进入微弧放电阶段。这一过程一般需要数分钟时间，且终止电压较高，一般在550 V左右。与之不同，微弧氧化低压诱导放电几乎瞬间就会进入微弧放电阶段，放电剧烈，且能够稳定维持到终止时间。其最终的放电电压较低，一般在350 V 左右。

微弧氧化放电的本质是气体的等离子体电离击穿，实现微弧氧化低压诱导放电。常规浸没式微弧氧化放电一般利用电解槽作为阴极，阳极工件整体浸没在工作液中，导致电极之间电场分散。为了实现微弧氧化放电，必然需要较高的极间电压。而微弧氧化低压诱导放电阴极尖端与工件表面之间的距离一般为1 ～2 mm，远远小于常规浸没式微弧氧化放电，有利于在极间形成一个较强的电场，故而在不需要很高的电压情况下实现气体的等离子体电离击穿，形成低压诱导式的微弧氧化放电。阴极的尖端面积较小，有利于形成很大的电流密度。浓度较高的电解液，为剧烈的放电提供足够的载流子，以保证放电的可持续性。放电过程如图1 所示，4 张图片的时间分别为1 s、4 s、25 s、350 s 时的放电状态。

图1 显示：在开通电源3 ～5 s，极间由暗到明，进而进入剧烈放电状态，是常规浸没式微弧氧化放电无法实现的；3 ～5 s 后，放电明显增强，火花光点显著增多，且明亮耀眼的白色，充满极间的投影区内，同时伴有比浸没式强烈的放电声音。

放电过程在时间轴上的具体表现。图1（a）显示，在通电的一瞬间，大约在1 s 时间内，微微的暗光表明放电完成钝化阶段的变化，迅速向下一阶段发展，如图1（b）所示。这个过程的电压升高迅速，没有观察到缓慢停留的现象，预示低压诱导放电具有很高的成膜效率。这正是本实验追求的目标，即利用较小的电源在较低的极间电压下实现高效的微弧氧化放电，进而在高效节能的条件下得到微弧氧化陶瓷膜层。

随着极间电压的迅速升高，放电火花发生了显著变化，如图1（c）所示。放电火花的亮度增加，颜色由温度较低的白色转为温度更高的橘红色，同时火花体积变大，数量相对减少，表明放电已经正式进入微弧氧化放电阶段，且放电能量较大，有利于高效生成微弧氧化陶瓷膜层。图1（d）表明，这种稳定剧烈高效的微弧氧化状态可以长时间持续下去。

图2 是图1（c）的局部放大，显示火花变大，颜色变得橘红。图3 是实验的最后阶段，由于是恒压模式加工，随着膜层的增加，火花逐渐减少，直至最终熄灭。

4 扫描过程中的放电分析

4.1 阴极相对运动成膜分析

不同于常规浸入式微弧氧化的成膜方式，微弧氧化低压诱导放电采用移动电极扫描成膜的方式，通过阴极在阳极工件表面的逐次扫描实现工件表面整体的微弧氧化加工。图4 是微弧氧化低压诱导放电区示意图，表明与常规浸入式微弧氧化成膜不同，最终的微弧氧化陶瓷膜层仅仅出现在极间投影区内，并随着阴极的运动轨迹发展变化。值得一提的是，在成膜区的边缘处是阳极氧化膜，这是电场在该区域迅速降低满足阳极氧化导致的。火花放电区的头部有一部分白色的亮部，这是阴极运动导致一部分投影区始终处于刚刚放电状态，即如图1（b）的情况一直发生所致。通过研究发现，阴极运动的速度越快，白亮区的面 积越大。

4.2 极间电场分析

图5 是微弧氧化低压诱导放电的电场分析。由于极间距离很小且阴极端面很小，可以把阴阳极相对的区间简化为平行板电极。其中，加工时阴极会移动。在刚开始时，极间刚刚放电，没有相对运动，也没有陶瓷膜层形成，故而极间电场是均匀的，极间距离也没有明显的变化，如图5（a）所示。当放电稳定后，阴极开始沿着工件表面移动，这时由于剧烈的放电，在工件表面快速形成微弧氧化陶瓷膜层，导致极间电场的均匀性被打破。由于陶瓷膜高的绝缘性，使得电场更倾向于通过无膜区域，即上面讨论过的白亮区通过，这是白亮区颜色白亮的本质原因。然而，极间电流密度很大，通过已经成膜的区域是要放电的，但是放电比无膜区变得困难，需要的能量也变多，因此这时火花数量减少、体积变大、颜色变深，如图5（b） 所示。

5 结语

本文采用具有内部充液式的管状阴极设计，利用高浓度碱性工作液，实现了微弧氧化低压诱导放电实验，并通过对该实验现象的观察分析阴极移动成膜特点，通过对极间电场的讨论分析了微弧氧化低压诱导放电具有高成膜效率的原因，证明了该方法具有与常规浸没式微弧氧化放电本质上的区别。