曹克寧*，白晶瑩，張立功，王景潤(rùn)，李思振，馮立

（北京衛(wèi)星制造廠熱表工程中心，北京 100190）

微弧氧化(MAO)是一種在有色金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷層的表面處理技術(shù)[1-5]，又稱等離子體氧化或陽(yáng)極 火花沉積。微弧氧化突破了傳統(tǒng)陽(yáng)極氧化工作電壓的限制，將工作區(qū)域由法拉第區(qū)延伸至高壓放電區(qū)，利用微弧區(qū)瞬間高溫?zé)Y(jié)作用直接在Al、Mg、Ti 等閥金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜。通過該方法制備的陶瓷膜層致密、均勻，膜層與基體達(dá)到了完美的結(jié)合，兼有金屬材料和非金屬材料的優(yōu)良性能。故微弧氧化技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)表面處理方法具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在微弧氧化過程中，氧化電壓和氧化電流對(duì)獲得高性能的氧化膜層起著至關(guān)重要的作用，但是隨著施加在陽(yáng)極上氧化電壓或氧化電流的增加，試樣易出現(xiàn)劇烈的尖端放電現(xiàn)象，產(chǎn)生大量焦耳熱，使試樣邊角處產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。易產(chǎn)生邊緣燒蝕的主要是尺寸較大的薄壁試樣。

在微弧氧化膜層的制備過程中，如何控制尖端放電效應(yīng)，保證試樣邊角處膜層的質(zhì)量，是獲得符合要求產(chǎn)品的關(guān)鍵。目前，對(duì)于微弧氧化過程中邊緣燒蝕問題的研究，主要集中在工藝條件的探討或添加劑的改良方面。本文嘗試?yán)肁NSYS 軟件對(duì)微弧氧化過程中陽(yáng)極電場(chǎng)強(qiáng)度分布進(jìn)行模擬，分析試樣上設(shè)置輔助陽(yáng)極的可行性，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以期為微弧氧化工藝中的邊角燒蝕問題提供解決途徑[6-7]。

1 靜電場(chǎng)分析原理

靜電場(chǎng)問題遵循麥克斯韋方程組：

其中?代表哈密頓算符，E 為電場(chǎng)強(qiáng)度，D 為電感強(qiáng)度，ρ 為自由電荷密度。

其中ε 為介電常數(shù)。

為便于求解，引入電位V，其與E 的關(guān)系為：

由式(2) ～ (4)可得泊松方程：

有限元法是以變分原理和剖分插值為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法。它首先將變分問題離散化為普通多元函數(shù)的極值問題，最后歸結(jié)為一組多元代數(shù)方程組，解之即得待求邊值問題的數(shù)值解。

2 邊緣燒蝕模擬

以AZ40M 鎂合金為研究對(duì)象[8-10]，試樣規(guī)格為300 mm × 300 mm × 5 mm，輔助陽(yáng)極截面尺寸為5 mm × 5 mm，其中試樣尺寸固定不變，試樣與輔助陽(yáng)極的間距M 為變量(見圖1)。采用ANSYS 軟件，對(duì)M 分別取0(即無輔助陽(yáng)極)、30、60 和90 mm 進(jìn)行模擬，分析輔助陽(yáng)極的存在及相對(duì)位置對(duì)試樣邊角燒蝕的影響。

圖1 微弧氧化試樣及輔助陽(yáng)極示意圖 Figure 1 Schematic diagram of MAO specimen and auxiliary anode

2.1 建立有限元模型[11]

在分析中為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間并方便觀察結(jié)果，對(duì)試樣進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除其表面加強(qiáng)筋，將輔助陽(yáng)極連接于掛具上。由于試樣處于電解液體系中，因此在AZ40M試樣周圍區(qū)域建立電解液模型，如圖2a所示，內(nèi)部為試樣及輔助陽(yáng)極，外層為電解液和不銹鋼槽體模型。在模擬中，試樣與輔助陽(yáng)極作為反應(yīng)陽(yáng)極，不銹鋼槽作為反應(yīng)陰極。

圖2 微弧氧化體系模型及試樣的網(wǎng)格細(xì)分 Figure 2 Model simulating MAO system and finite subdivision of specimen

在計(jì)算過程中，既要保證求解結(jié)果的精度，又要減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算量；因此，對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。試樣及輔助陽(yáng)極附近為電場(chǎng)強(qiáng)度分布的主要區(qū)域，因此對(duì)其網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，如圖2b所示。外層電解液中，距離試樣較近的區(qū)域，亦對(duì)其進(jìn)行細(xì)分，距試樣較遠(yuǎn)的部分，網(wǎng)格劃分相對(duì)粗大。

2.2 加載和求解

在微弧氧化過程中，載荷為陽(yáng)極上加載的200 A電流和陰極上加載的0 A 電流。在電解液表面加上邊界條件，即外部電流全部為0 A。

2.3 模擬結(jié)果分析

該仿真使用ANSYS 靜電分析，根據(jù)麥克斯韋方程自動(dòng)求算結(jié)果。圖3為加載200 A 載荷后試樣表面的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖。分析結(jié)果顯示，試樣邊角處的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于試樣表面中間區(qū)域[12]。

圖3 電場(chǎng)強(qiáng)度矢量分布圖 Figure 3 Electric field intensity vector distribution

2.3.1 電流對(duì)邊緣燒蝕的影響

在模擬分析中，選擇不同的電流作為載荷，分析不同電流下微弧氧化過程中無輔助陽(yáng)極時(shí)試樣表面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。圖4是在50、100 和200 A 載荷條件下，以Y 軸(圖2b)為坐標(biāo)，在試樣表面上方1 mm 處作對(duì)角線，以對(duì)角線作為路徑，提取該路徑上的電場(chǎng)強(qiáng)度值，所得電場(chǎng)強(qiáng)度曲線如圖4所示。由圖4可知：在試樣上加載不同電流后，試樣邊角處的電場(chǎng)強(qiáng)度高于試樣中部；當(dāng)電流較小時(shí)，試樣邊角處與中部的電場(chǎng)強(qiáng)度差值較小，隨著電流的增大，該差值明顯增大，即隨著載荷的增加，試樣表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻性變差。

圖4 不同電流下Y 軸向微弧氧化試樣的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線 Figure 4 Electric field intensity curves for MAO specimen along Y axis at different currents

在微弧氧化過程中，需要有較高的能量擊穿膜層，產(chǎn)生等離子放電，促進(jìn)膜層生長(zhǎng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)，電壓無法擊穿膜層促進(jìn)膜層生長(zhǎng)，故需要提高載荷，以提供足夠的能量。但是，在較高的電流密度下，試樣不可避免地產(chǎn)生邊角燒蝕問題，故擬通過加設(shè)輔助陽(yáng)極解決上述問題。

2.3.2 輔助陽(yáng)極對(duì)邊緣燒蝕的影響

圖5為電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖，當(dāng)不設(shè)置輔助陽(yáng)極(即M = 0 mm)時(shí)，試樣上電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖5a 所示。相比試樣中部，邊角處電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)。設(shè)置輔助陽(yáng)極后，電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)區(qū)域出現(xiàn)在輔助陽(yáng)極上，而試樣上的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯減小。

圖5 微弧氧化試樣及輔助陽(yáng)極電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖 Figure 5 Electric field intensity distribution of MAO specimen and auxiliary anode

同樣以Y 軸為坐標(biāo)，在試樣表面上方1 mm 處作對(duì)角線，以對(duì)角線作為路徑，提取該路徑上的電場(chǎng)強(qiáng)度值，所得結(jié)果如圖6所示。

圖6 輔助陽(yáng)極與試樣的間距不同時(shí)Y 軸向微弧氧化試樣的 電場(chǎng)強(qiáng)度曲線 Figure 6 Electric field intensity curve for specimen along Y axis at different MAO spaces between auxiliary anode and specimen

由圖6可知：無輔助陽(yáng)極時(shí)(曲線1)，試樣表面電場(chǎng)強(qiáng)度較高，且邊角處與試樣中部的電場(chǎng)強(qiáng)度差值較大，電荷易集中于邊角處；隨著輔助陽(yáng)極的設(shè)置，試樣表面電場(chǎng)強(qiáng)度明顯下降，同時(shí)試樣邊角處與中部的電場(chǎng)強(qiáng)度差值明顯減小，較好地改善了試樣表面電場(chǎng)強(qiáng)度的均勻性；但是當(dāng)輔助陽(yáng)極與試樣的間距M 為90 mm 時(shí)，在相同的載荷下，試樣表面的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，而試樣邊角與中部的電場(chǎng)強(qiáng)度差值也增大。這說明：在理論上，輔助陽(yáng)極的設(shè)置可以避免試樣邊角的燒蝕現(xiàn)象，而且必須與試樣保持一定的距離，當(dāng)距離較大時(shí)，輔助陽(yáng)極的作用減弱。

從圖7分析可知：未設(shè)置輔助陽(yáng)極(即M = 0 mm)時(shí)，試樣表面焦耳熱[13]較大且主要集中在試樣邊角處；設(shè)置輔助陽(yáng)極后，其表面焦耳熱明顯降低且集中在輔助陽(yáng)極的邊角處，避免了試樣邊角處焦耳熱的大量聚集。

圖7 微弧氧化試樣及輔助陽(yáng)極焦耳熱分布云圖 Figure 7 Joule heat distribution of MAO specimen and auxiliary anode

電流密度J 與電場(chǎng)強(qiáng)度E 滿足以下關(guān)系：

其中σ 為電導(dǎo)率。

在微弧氧化過程中，邊角處電流強(qiáng)度較大，由式(6)可知，邊角處電流密度也較大。相比試樣的其他區(qū)域，該處氧化膜層生長(zhǎng)較快。由于陶瓷膜層電阻較高，因此在邊角處產(chǎn)生大量的焦耳熱。故在相同氧化時(shí)間內(nèi)，試樣中部氧化膜較薄，而邊角處氧化膜已經(jīng)燒蝕。設(shè)置輔助陽(yáng)極后，試樣表面各處電場(chǎng)強(qiáng)度更為均勻，膜層生長(zhǎng)速率相近，所得膜層厚度較為均勻，很好地避免了氧化過程中邊緣燒蝕問題的出現(xiàn)。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述模擬，從理論上證明了設(shè)置輔助陽(yáng)極解決試樣邊角燒蝕的有效性，故進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證理論分析。實(shí)驗(yàn)中，采用WH-100 型脈沖微弧氧化電源，磷酸-硅酸鈉體系電解液(其電阻率為1.8 Ω·m)。反應(yīng)槽為1Cr18Ni9Ti 不銹鋼材質(zhì)，與電源負(fù)極相連，作為反應(yīng)陰極，其電阻率為7.3 × 10-7Ω·m；試樣與輔助陽(yáng)極均為AZ40M 鎂合金，其電阻率為9.2 × 10-8Ω·m。氧化過程中采用低溫循環(huán)水浴控制電解液溫度。膜層制備流程為：有機(jī)溶劑除油─微弧氧化─清洗。

實(shí)驗(yàn)中，分別使用未設(shè)置輔助陽(yáng)極和設(shè)置輔助陽(yáng)極(M = 60 mm)的試樣進(jìn)行氧化，加載電流均為200 A。掛具采用螺接的方式與試樣連接，輔助陽(yáng)極采用捆綁的方式固定于掛具上。在反應(yīng)過程中，未設(shè)置輔助陽(yáng)極時(shí)，試樣邊角處火花明顯多于試樣中部，邊角處反應(yīng)較為劇烈；設(shè)置輔助陽(yáng)極后，試樣表面火花分布較為均勻。經(jīng)過20 min 的氧化，2 個(gè)試樣邊角處膜層的外觀如圖8所示。未設(shè)置輔助陽(yáng)極的試樣(圖8a)直角處膜層燒蝕并脫離，邊緣膜層表面存在大量白點(diǎn)，膜層質(zhì)量較差，而試樣中部區(qū)域膜層質(zhì)量較好；設(shè)置輔助陽(yáng)極的試樣(圖8b)表面各區(qū)域膜層質(zhì)量均較好，沒有出現(xiàn)燒蝕、脫離現(xiàn)象。

圖8 設(shè)置輔助陽(yáng)極前后微弧氧化試樣邊角的燒蝕情況 Figure 8 Brim ablation of MAO specimen before and after using auxiliary anode

ANSYS 模擬是在完全理想的情況下進(jìn)行的，雖然不可能完全與實(shí)際情況相符，但可為解決微弧氧化邊角燒蝕提供一個(gè)有效的分析方法。在理論分析的基礎(chǔ)上再開展工藝實(shí)驗(yàn)，可以達(dá)到事半功倍的效果。

3 結(jié)論

(1) 以AZ40M 鎂合金為研究對(duì)象，分別對(duì)未設(shè)置輔助陽(yáng)極和設(shè)置輔助陽(yáng)極的試樣進(jìn)行靜電場(chǎng)模擬，結(jié)果表明：在微弧氧化過程中，輔助陽(yáng)極的設(shè)置可以有效地改善試樣表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布的均勻性，從而避免氧化過程中使用較大電流時(shí)，試樣邊角處電荷的聚集；而輔助陽(yáng)極的效果，受輔助陽(yáng)極與試樣的相對(duì)位置的影響。

(2) 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，采用輔助陽(yáng)極時(shí)所得微弧氧化試樣邊角處的氧化膜狀況良好，無燒蝕現(xiàn)象發(fā)生，與模擬分析結(jié)果相吻合。

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