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        微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電過程分析

        2022-04-21 01:48:24呂鵬翔張思源
        關(guān)鍵詞:極間微弧陶瓷膜

        呂鵬翔 姜 巖 曾 娜 張思源

        (大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,大連 116200)

        1 研究背景

        微弧氧化技術(shù)因其能夠在鋁、鎂、鈦等輕合金的表面生成一層耐腐蝕、耐摩擦的陶瓷膜[1]而對這些輕金屬進(jìn)行有效防護(hù),進(jìn)一步擴(kuò)大了它們的應(yīng)用領(lǐng)域,有利于工程機(jī)械實現(xiàn)輕量化。例如,汽車的輕量化對鋁合金、鈦合金的應(yīng)用,對實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的節(jié)能環(huán)保事業(yè)的貢獻(xiàn)。然而,微弧氧化基于等離子體放電的自身特點導(dǎo)致其加工處理的能源消耗較高,處理能力受到限制。

        為了解決上述矛盾,研究人員提出了各種方法。吳成奉等提出鋁合金射流微弧氧化層工藝,以期能夠?qū)Υ竺娣e工件進(jìn)行處理,以提高處理能力[2]。王玉林等提出微弧氧化刷鍍陶瓷層技術(shù),采用刷鍍微弧氧化的方法在鋁質(zhì)材料上制備陶瓷層,以期擴(kuò)大微弧氧化加工能力[3]。更多的研究人員則是從改善工藝參數(shù)的角度,以期獲得高的成膜效率和大的處理面積[4-5]。然而,這些方法都沒有改變微弧氧化極間電壓較高導(dǎo)致實時能量消耗較大的問題。本文利用高濃度工作液與管狀電極結(jié)合,獲得在低電壓放電且能夠高效成膜的低壓誘導(dǎo)放電微弧氧化,有效降低了實時功率消耗,并能夠解決大面積工件處理問題。

        2 實驗方法

        試件為2A12 鋁合金,尺寸為80 mm×40 mm× 1.5 mm。陰極由傳統(tǒng)的工作液槽轉(zhuǎn)化為具有內(nèi)充液功能的管狀電極。該電極壁厚0.25 mm,管電極的內(nèi)部徑為2 mm,材料為316 不銹鋼。實驗時,利用潛水泵把工作液自一端注入陰極,并由陰極的另一端以一定的速度噴出射向工件表面,陰極端面距工件表面距離為1~2 mm。陰極在工件表面做勻速直線往返運(yùn)動,速度約為10 mm·min-1。實驗在改造的三軸工作臺上進(jìn)行,時間為30 min。

        本實驗所使用的電源為團(tuán)隊自主研發(fā)的2.0 kW雙向脈沖電源,采用雙向脈沖放電,實驗脈沖寬度與脈沖間隙為200 ~5 000 μs 可調(diào),占空比為5%~25%,采用先恒流再恒壓的加工模式。實驗所用的工作液為堿性工作液,配比為氫氧化鉀15 g·L-1和硅酸鈉30 g·L-1。

        3 微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電過程

        常規(guī)浸沒式微弧氧化放電需要經(jīng)過鈍化階段和火花放電階段,然后進(jìn)入微弧放電階段。這一過程一般需要數(shù)分鐘時間,且終止電壓較高,一般在550 V左右。與之不同,微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電幾乎瞬間就會進(jìn)入微弧放電階段,放電劇烈,且能夠穩(wěn)定維持到終止時間。其最終的放電電壓較低,一般在350 V 左右。

        微弧氧化放電的本質(zhì)是氣體的等離子體電離擊穿,實現(xiàn)微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電。常規(guī)浸沒式微弧氧化放電一般利用電解槽作為陰極,陽極工件整體浸沒在工作液中,導(dǎo)致電極之間電場分散。為了實現(xiàn)微弧氧化放電,必然需要較高的極間電壓。而微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電陰極尖端與工件表面之間的距離一般為1 ~2 mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)浸沒式微弧氧化放電,有利于在極間形成一個較強(qiáng)的電場,故而在不需要很高的電壓情況下實現(xiàn)氣體的等離子體電離擊穿,形成低壓誘導(dǎo)式的微弧氧化放電。陰極的尖端面積較小,有利于形成很大的電流密度。濃度較高的電解液,為劇烈的放電提供足夠的載流子,以保證放電的可持續(xù)性。放電過程如圖1 所示,4 張圖片的時間分別為1 s、4 s、25 s、350 s 時的放電狀態(tài)。

        圖1 顯示:在開通電源3 ~5 s,極間由暗到明,進(jìn)而進(jìn)入劇烈放電狀態(tài),是常規(guī)浸沒式微弧氧化放電無法實現(xiàn)的;3 ~5 s 后,放電明顯增強(qiáng),火花光點顯著增多,且明亮耀眼的白色,充滿極間的投影區(qū)內(nèi),同時伴有比浸沒式強(qiáng)烈的放電聲音。

        放電過程在時間軸上的具體表現(xiàn)。圖1(a)顯示,在通電的一瞬間,大約在1 s 時間內(nèi),微微的暗光表明放電完成鈍化階段的變化,迅速向下一階段發(fā)展,如圖1(b)所示。這個過程的電壓升高迅速,沒有觀察到緩慢停留的現(xiàn)象,預(yù)示低壓誘導(dǎo)放電具有很高的成膜效率。這正是本實驗追求的目標(biāo),即利用較小的電源在較低的極間電壓下實現(xiàn)高效的微弧氧化放電,進(jìn)而在高效節(jié)能的條件下得到微弧氧化陶瓷膜層。

        隨著極間電壓的迅速升高,放電火花發(fā)生了顯著變化,如圖1(c)所示。放電火花的亮度增加,顏色由溫度較低的白色轉(zhuǎn)為溫度更高的橘紅色,同時火花體積變大,數(shù)量相對減少,表明放電已經(jīng)正式進(jìn)入微弧氧化放電階段,且放電能量較大,有利于高效生成微弧氧化陶瓷膜層。圖1(d)表明,這種穩(wěn)定劇烈高效的微弧氧化狀態(tài)可以長時間持續(xù)下去。

        圖2 是圖1(c)的局部放大,顯示火花變大,顏色變得橘紅。圖3 是實驗的最后階段,由于是恒壓模式加工,隨著膜層的增加,火花逐漸減少,直至最終熄滅。

        4 掃描過程中的放電分析

        4.1 陰極相對運(yùn)動成膜分析

        不同于常規(guī)浸入式微弧氧化的成膜方式,微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電采用移動電極掃描成膜的方式,通過陰極在陽極工件表面的逐次掃描實現(xiàn)工件表面整體的微弧氧化加工。圖4 是微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電區(qū)示意圖,表明與常規(guī)浸入式微弧氧化成膜不同,最終的微弧氧化陶瓷膜層僅僅出現(xiàn)在極間投影區(qū)內(nèi),并隨著陰極的運(yùn)動軌跡發(fā)展變化。值得一提的是,在成膜區(qū)的邊緣處是陽極氧化膜,這是電場在該區(qū)域迅速降低滿足陽極氧化導(dǎo)致的。火花放電區(qū)的頭部有一部分白色的亮部,這是陰極運(yùn)動導(dǎo)致一部分投影區(qū)始終處于剛剛放電狀態(tài),即如圖1(b)的情況一直發(fā)生所致。通過研究發(fā)現(xiàn),陰極運(yùn)動的速度越快,白亮區(qū)的面 積越大。

        4.2 極間電場分析

        圖5 是微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電的電場分析。由于極間距離很小且陰極端面很小,可以把陰陽極相對的區(qū)間簡化為平行板電極。其中,加工時陰極會移動。在剛開始時,極間剛剛放電,沒有相對運(yùn)動,也沒有陶瓷膜層形成,故而極間電場是均勻的,極間距離也沒有明顯的變化,如圖5(a)所示。當(dāng)放電穩(wěn)定后,陰極開始沿著工件表面移動,這時由于劇烈的放電,在工件表面快速形成微弧氧化陶瓷膜層,導(dǎo)致極間電場的均勻性被打破。由于陶瓷膜高的絕緣性,使得電場更傾向于通過無膜區(qū)域,即上面討論過的白亮區(qū)通過,這是白亮區(qū)顏色白亮的本質(zhì)原因。然而,極間電流密度很大,通過已經(jīng)成膜的區(qū)域是要放電的,但是放電比無膜區(qū)變得困難,需要的能量也變多,因此這時火花數(shù)量減少、體積變大、顏色變深,如圖5(b) 所示。

        5 結(jié)語

        本文采用具有內(nèi)部充液式的管狀陰極設(shè)計,利用高濃度堿性工作液,實現(xiàn)了微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電實驗,并通過對該實驗現(xiàn)象的觀察分析陰極移動成膜特點,通過對極間電場的討論分析了微弧氧化低壓誘導(dǎo)放電具有高成膜效率的原因,證明了該方法具有與常規(guī)浸沒式微弧氧化放電本質(zhì)上的區(qū)別。

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