基于电参数的AZ91D镁合金微弧氧化膜层厚度分析研究-论文
AZ91D镁合金微弧氧化新工艺的研究的开题报告
AZ91D镁合金微弧氧化新工艺的研究的开题报告一、选题背景AZ91D镁合金具有密度低、强度高、刚性好、抗腐蚀性能优良等优点，被广泛应用于航空、汽车、电子等领域。
然而，由于其表面活性较强，易受腐蚀和氧化等影响，从而导致其使用时遇到很多困难。
为了改善AZ91D镁合金表面的性能，提高其耐蚀性和耐磨性，许多研究者在其表面进行了各种涂层处理。
而微弧氧化是一种新兴的表面处理方法，已经在材料科学领域得到广泛的应用。
该方法通过在材料表面形成一种氧化层，在保持原材料性质的同时，进一步提高了其表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性能。
因此，研究AZ91D镁合金微弧氧化新工艺有着重要的意义。
二、研究目的本研究旨在探讨AZ91D镁合金微弧氧化的新工艺，结合数学模型和实验验证，分析该工艺对AZ91D镁合金表面性能的影响，为提高其耐磨性和耐腐蚀性能提供新的方式和思路。
具体研究目标如下：1.建立AZ91D镁合金微弧氧化的数学模型，分析微弧氧化过程中材料表面氧化层的形成和演化过程。
2.探究微弧氧化工艺参数对AZ91D镁合金氧化层微观结构、组分和物理性质的影响，分析不同工艺参数下氧化层的特点和优缺点。
3.通过实验验证，分析微弧氧化处理AZ91D镁合金表面前后的性能变化情况，包括硬度、耐蚀性和耐磨性等指标，并考察微弧氧化工艺对其表面摩擦学性能的影响。
三、研究内容1.搜集研究资料，了解AZ91D镁合金微弧氧化的研究现状和发展动态。
2.建立AZ91D镁合金微弧氧化的数学模型，分析微弧氧化过程中材料表面氧化层的形成和演化过程。
3.对不同工艺参数下的微弧氧化进行实验研究，分析氧化层的组成、结构和物理性质变化规律，探究微弧氧化工艺参数对氧化层的影响。
4.测量微弧氧化处理前后AZ91D镁合金的硬度、耐蚀性和耐磨性等性能指标，并进行对比分析，考察微弧氧化对其表面性能的影响。
5.通过表面形貌观察、扫描电镜观测等方法，分析微弧氧化工艺对AZ91D镁合金表面摩擦学性能的影响规律。
AZ91D镁合金的处理方式文献
AZ91D镁合金镁合金具有密度小，良好的切削加工性、尺寸稳定性、铸造成型性及表面装饰性等诸多优点而受到广泛关注。
但镁合金变形困难，耐热和耐蚀性差，再加上系统研究镁合金的历史还比较短，因此基础研究明显滞后于应用。
AZ91D镁合金是开发最早、应用最为广泛的镁合金之一。
为不断扩大该合金的产业化应用，国内外从多个方面开展了大量工作．但总体来说缺乏系统性。
国内外有关AZ91D镁合金组织与合金相、力学性能、表面处理技术和加工工艺方面的最新研究进展，以期抛砖引玉，推动AZ91D镁合金的深入发展。
1、组织与合金相1.1 铸态组织及合金相一般认为铸态AZ91D镁合金主要由α-Mg、离异β-Mg17Al12相和共晶组织（α-Mg+β-Mg17Al12）组成，共晶组织（α+β）主要分布在晶界，呈薄片状或层状。
而离异β相则主要分布在晶体内部。
有研究表明，在Mg-AI合金中Al存在明显的偏析。
从晶粒内部至晶界逐渐增加．但未见详细分析。
晶界区域的富铝区实际为共晶组织（α+β）中的仅相。
其铝含量略低于β相的铝含量而不足以进一步形成β相，最终以共晶相形式长大。
可以推断其铝含量必然高于初生仅的铝含量。
已有研究者在AM50镁合金中观察到了类似的组织。
离异β相的形成与非平衡凝固有关，在晶体内部的某些区域。
在快速凝固过程中铝元素来不及扩散至晶界附近。
首先形成了β相，而此时的共晶仅相与初生仅相混合在一起，呈现出离异共晶的形态。
可以推测。
如果冷却速度进一步加快。
共晶组织和离异组织都会被抑制。
徐春杰等通过对比常规凝固和快速凝固薄带AZ91D镁合金的差热分析曲线证实了这一推断。
研究发现，前者在450℃左右有明显的DTA峰（β相的熔化峰），而后者组织为单相过饱和a固溶体．无明显的DTA峰。
Mn在AZ91合金中主要以固溶和形成金属间化合物两种形态存在。
据报道Mg-Al系镁合金中的Al-Mn金属间化合物主要有Al6Mn、Al4Mn、AlMn及Al8Mn5四种，形状主要有针状、十字状、花朵状及颗粒状；大小为0.1-30um。
电参数对镁合金微弧氧化膜层厚度的影响
（ １）微弧 氧化 膜层 的厚度与微弧 氧化反 应时作 用在 膜层上 的总
能 量有关。当膜层 上的能 量增 大时 ，微弧区的 电场强度和 瞬时温度升 高 ，生成的高能等离子体可 以击 穿原有的氧化膜和更深层 的基体 ，促 使 更多的基体熔融并从放 电通道 喷出形成氧化物 ，导致微 弧氧化 膜层 厚度 的增 加。 （ ） 试验条件下 ，随着 电压的升高 ，电流密 度的增加 ， 占空 ２ 在 比的增大 ，镁合金微弧氧化膜层 厚度增加 ，但频率对膜厚 影响不大 ， 影 响的主 次顺 序为 ：电压和 电流 ＞占空 比 ＞ 率。 频
２ 分钟 ，在工 件平面 部位选取 ｌ个 点 ，取测 量值 的平均值 作 为厚度 ４ （ ）
值 。根据 电流密度 、厚度值和时间绘制 出其关系 曲线 ，如 图２ 所示 。
图２不 同 电 流 密 度 下 膜 层 厚 度 与 氧 化 时 间 关 系
参数和工 艺过程等 ，电源参数 的变化 对膜 层性能的影响很大 ，可 以改 变膜层 的厚 度 、形貌以及耐腐和耐磨性能 。 目前 ，国 内外微弧氧化 的 过程控制 通常采用恒流或恒压方式 ，两种 不同的控制方式 都有其 各 自 的特点 。恒 流氧化 法便于计算和控制能耗 ，但也 容易在微弧氧化 的后
表 １Ａ ９ Ｄ Ｚ １ 镁合金 的成 分
（ ａ）电 流 密 度 为 １ ｍＡ／ ｍ２ ５ ｃ
（ ｂ）电流 密度 为２ ｍＡ／ ｍ２ ５ ｃ
首先 在碱性溶液 中浸泡去 除表面机械 油污 ，再对 由于暴露在 空气 中所形成 的氧化 皮进行去氧化皮处理 ，以获得活性点均匀 的洁净 面 ， 最后 用清水洗净 ，风干 后等待徽弧 氧化 处理 。电解液 的成 分如表２ 所
变 。这 与蒋 百灵 等人的研究一致。 由于实验 中是在 恒流徽弧氧化方式 下来改变频 率的变化 ，其 电流 密度 一定 ，作用在 氧化膜 上的能量相差不大 ，电场 的驱 动力也近似相 同 ，氧化膜生长速度 基本 不变 ．最终氧化膜 的厚度也 变化 不大 。随着 频率 的升高 ，单位 时间脉 冲数增 多，单位时 间内发 生击穿区域的数量 增 多 ，单脉冲能量也就越 小 ，发生一次击穿时能量也 变小 ，氧化膜表 面放 电微孔 孔径较小 ，氧化膜较致密 。因此 ，通过调 节频率的大小可
AZ91D铸造镁合金微弧氧化技术应用研究
AZ91D铸造镁合金微弧氧化技术应用研究李文杰;马安博【摘要】微弧氧化技术是一种依靠弧光放电瞬间产生高温、高压,从而在金属表面生长以金属基体为主的陶瓷膜氧化层的表面改性技术,可制备诸如防腐、耐磨、耐热及其他功能化的膜层.试验研究了AZ91D铸造镁合金微弧氧化陶瓷膜,测试了膜层的组织形貌及性能,并列举了该镁合金机加件和压铸件微弧氧化应用实例,分析了微弧氧化技术未来发展方向.【期刊名称】《轻合金加工技术》【年(卷),期】2018(046)010【总页数】6页(P48-53)【关键词】AZ91D铸造镁合金;微弧氧化;膜层;结构;性能【作者】李文杰;马安博【作者单位】西安航空职业技术学院,陕西西安710089;西安航空职业技术学院,陕西西安710089【正文语种】中文【中图分类】TG174.4镁合金因其密度较低(1.74 g/cm3)、能量衰减常数大等特性，受到航空航天、能源和汽车制造等领域的关注，但由于其化学活性高，导致其耐蚀性差，镁合金微弧氧化的主要目标是提高其耐蚀性[1]。
传统的阳极氧化技术和化学氧化技术存在着膜层薄、耐蚀性差、工艺复杂及环境污染严重等问题，相比之下，微弧氧化技术具有很大的优势，因此，镁及其合金微弧氧化技术具有很大的研发价值和广阔的应用前景。
李连平等[2]人利用双脉冲微弧氧化电源设备对AZ91D镁合金进行处理，通过测试表面陶瓷层的粗糙度和厚度，确定了AZ91D镁合金在Zr盐电解液中的最佳微弧氧化工艺参数，并对微弧氧化处理形成的表面陶瓷层微观组织形貌进行了观察。
尽管微弧阳极氧化膜层有诸多优点，但它同时存在易形成孔洞和裂纹等缺陷。
为此，诸多研发者提出了改善微弧氧化的工艺参数，引入合金元素，开发新型电解液或与其他表面处理工艺相结合的方法来克服微弧氧化技术的不足[3-5]。
本试验希望可通过微弧氧化处理工艺来改善铸造镁合金的耐蚀性、耐磨性和耐热性较差的问题，从而延长镁合金的使用寿命、扩大镁合金的应用范围。
AZ91D镁合金表面真空蒸镀锌铝复合涂层的研究
关键词 : AZ91D 镁合金 ; 真空蒸镀 ; 耐蚀性 do:i 10 . 3969 /.j issn. 0258- 7076. 2010. 05. 010 中图分类号 : TG174. 444 , TG178 文献标识码 : A 文章编号 : 0258- 7076( 2010) 05- 0678- 06
表 1 AZ91D 镁合金化学成分 (%, 质量分数 )
Table 1 Ch e m ical composition of AZ 91D m agn esiu m a lloys (%, m ass fraction)
E lem en t C on ten t Al 9. 3200 Mn 0. 2000 Zn 0 . 6800 Si 0 . 0480 Cu 0 . 0010 Ni 0. 0005 Fe 0. 0031 Be 0 . 0010 Mg Ba. l
[ 1]
素 , 它的加 入不会 增加 镁合金 回收 利用 的成本。 ( 2) 铝的氧化膜致密坚硬, 且在大气中具有自修复 性。 ( 3) 铝与其他金属形成的中间化合物 ( 如铝锌 合金, 铝镁合金 ) 可以显著提高镁合金的耐蚀性 , 还可以作为一种耐磨层存在
[ 12 , 13 ]
。由于铝镁的熔
点相近 , 它们之间的扩散比较困难 , 所以本文选用 熔点较低的锌作为中间过渡层 , 通过热扩散 来提 高基体与涂层之间的结合强度。
1 实
1 . 1 材
验
料 10 mm 2 . 5 mm, 成分列于表 1 。
。
实验 采用的基 体材料是 铸造镁合 金 AZ91D, 尺寸为 10 mm 将试样分别用 600 号及 1000 号的 SiC 砂纸打磨并 抛光后 , 先用碱式除油剂除去表面油污, 再用 85 % 的 H 3 PO4 浸蚀 30~ 40 s , 去除表面氧化膜, 并用蒸 馏水清洗后浸泡在无水乙醇中备用。蒸镀所 用的 纯锌及纯铝均为铸态。 1 . 2 设 备 改进的 HUS 5GB 型真空镀膜机 ( 图 1), 自制 的热压模具 ( 图 2)。
AZ91D镁合金无铬化学转化膜的性能
DOI: 10.19289/j.1004-227x.2020.23.008 AZ91D镁合金无铬化学转化膜的性能王向荣（上海市普陀区绥德路789号，上海200331）摘要：采用由钛盐、无机酸和有机酸组成的溶液，在AZ91D镁合金表面制备了无铬化学转化膜。
用附带能谱仪的扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪研究了转化膜的形貌和成分，通过极化曲线和盐雾试验评定转化膜的耐蚀性，采用划格试验检测转化膜的结合力，考察了不同pH的化学转化溶液在0 °C和40 °C条件下的稳定性。
结果表明，所得到的灰白色化学转化膜主要成分为铝、镁和钛，其耐蚀性和结合力良好，最佳的pH范围是5.5 ~ 6.5。
关键词：铸造镁合金；无铬化学转化膜；耐蚀性；结合力中图分类号：TG178 文献标志码：A 文章编号：1004 – 227X (2020) 23 – 1643 – 05 Properties of chromium-free conversion coating on AZ91D magnesium alloy // WANG XiangrongAbstract: A chromium-free chemical conversion coating was prepared on the surface of AZ91D magnesium alloy in a solution composed of titanium salt, inorganic acid, and organic acid. The morphology and composition of the conversion coating were studied by scanning electron microscope (SEM) with energy-dispersive spectrometer (EDS) and X-ray photoelectron microscope. The corrosion resistance of the conversion coating was evaluated by polarization curve measurement and salt spray tests. The adhesion strength of the conversion coating was examined by cross-cut test. The stability of the chemical conversion solution with different pHs at 0 °C and 40 °C was investigated. The results showed that the main elements of the gray-white chemical conversion coating are Al, Mg, and Ti. The corrosion resistance and adhesion strength of the coating are good. The optimal pH range of the chemical conversion solution is 5.5 to 6.5.Keywords: die-cast magnesium alloy; chromium-free chemical conversion coating; corrosion resistance; adhesion Author’s address: No.789 Suide Road, Putuo District, Shanghai 200331, China由于镁在地球上的含量丰富，而且镁在工程金属中最显著的特点是质量轻，还具有比强度高、比刚度高、减震性能好、抗辐射能力强等一系列优点，因此开发利用镁合金产品是当今世界发展的潮流。
az91d 镁合金压铸件之表面缺陷分析nb 上盖
AZ91D 镁合金压铸件之表面缺陷分析— NB 上盖由于镁合金具有优异的刚性、散热能力和良好的电磁遮蔽效果等好处，所以现在已被广泛运用在3C电子产品上。
而在众多的镁合金成形制程中又以压铸制程最被广为采用，因此本文将针对以热室机压铸法所制造NB上盖产品(AZ91D)，由现场取得具表面缺陷的不良品，如热裂模、表面氧化、热裂、顶出变形、流纹等，然后藉由外观和微观分析找出各个缺陷确切的形态，再配合上统计缺陷位置分布和成分分析，以证实缺陷发生的原因。
前言镁合金具有质轻、高比强度、耐震等优点，以此在航空器材、运输工具、信息产品上均有相当广泛的应用实例；另外，镁合金与工程塑料比较，也具有优异的刚性、散热能力和良好的电磁遮蔽效果，所以近年来在3C（计算机、通讯、消费性电子）可携式产品大展光芒。
目前镁合金零组件制造方式大多是以压铸法为主，例如：热室机压铸法或冷室机压铸法，虽然近年来还有以半固态射出成形为主的触变成形(Thixo-molding)及流变成形(Rheo-molding)等新制程的推出，但由于技术上仍无法突破，所以一般还是以压铸法生产镁合金为主。
在各种不同镁合金种类当中，都含有相当比例的铝元素（铝含量约介于1-10%）以作为主要添加合金元素，它与镁元素会析出的β 相，使基地具有散布强化的效果，以便提升铸造性能、抗腐蚀能力以及机械性能。
其它次要添加合金元素，例如：锌元素的添加亦会提升机械性质和铸造性能；锰元素则会和铝形成化合物，同时固溶铁、钴、镍元素，可将Fe+Ni+Co/Mn控制在一定值之下，并改善耐蚀性；添加铍元素则可以有效减少熔融时氧化物的形成，提升熔汤的清净度。
此外，控制少量重金属元素的添加，也可有效提升镁合金抗腐蚀的效果。
而目前利用镁合金作成的3C 产品(NB机壳、手机外壳、PDA等)，仍以AZ91D(Mg-9%Al-1%Zn)镁合金为主，主要是因为其机械性、铸造性、耐蚀性均能满足产品的需求，所以最常被采用。
AZ91D镁合金表面微弧氧化陶瓷膜微观结构与组成的研究
别。硅酸盐溶液体系中，微弧氧化在微孔周围形成的 颗粒相互间结合较致密，形成连续网络结构，而铝酸 盐溶液体系中，在微孔周围形成的不是类似“火山堆” 的凸出颗粒，而是形成相对较扁平的片状(图 2f)。这 些片状结构连接松散，呈龟裂形貌，致密度很差，从 而降低微弧氧化膜层的耐蚀性。
a
b
I
II
I II III
1 实验方法
采用微弧氧化电源（自制，MOP-60 型 IGBT 逆变 电源），其特点是恒流非对称方波输出模式，最大输出 电压 600 V，最大输出电流 60 A。实验系统包括电源、 电解槽、搅拌系统和冷却系统等。实验材料为 AZ91D 镁合金。电解溶液体系为硅酸钠型与铝酸钠型。实验 采用恒电流控制，电流密度为 10~30 A/dm2。溶液温 度为 20~50 ℃，氧化时间是 5~30 min。
3结论
1) 微弧氧化膜层由致密层和疏松层组成，膜层表 面为多孔结构，电流密度越大，微孔孔径也越大。在 恒定电流密度工作方式下，于 10 g/L Na2SiO3、电流密 度 10 A/dm2，氧化时间 15 min 工艺参数下可获得致密 膜层。
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稀有金属材料与工程
第 38 卷
2) 硅酸盐溶液体系制得的陶瓷膜组织连续致密， 耐蚀性较好，而铝酸盐溶液体系制得的膜层组织不连 续，结构疏松，影响耐蚀性。
III
c
d
e
I II III
III II I
III II I
20 µm
图 1 硅酸盐溶液体系不同氧化时间的膜层断面 SEM 照片 Fig.1 SEM cross-section images of the coating treated in Na2SiO3 solution for different oxidation time: (a) 5 min, (b) 10 min, (c) 15 min,
AZ91D镁合金微弧氧化膜制备的调控及膜层表征方法的研究
AZ91D镁合金微弧氧化膜制备的调控及膜层表征方法的研究AZ91D镁合金是一种常见的镁合金材料，具有优良的机械性能和热导率，广泛应用于汽车、航空航天和电子等领域。
然而，由于其活泼的电化学性质和低耐蚀性，AZ91D镁合金在实际应用中面临着一些挑战。
为了提高其耐蚀性和表面硬度，研究者们通过微弧氧化方法制备了一种具有优异性能的膜层。
调控微弧氧化膜制备的工艺参数对于最终膜层的性质至关重要。
在研究中，常用的工艺参数包括电压、电流密度、溶液成分和pH值等。
电压是控制膜层厚度和孔隙度的关键参数，过高的电压会导致膜层过厚或过薄，降低膜层的质量；而过低的电压则会导致膜层形成不完整，影响其性能。
电流密度是控制膜层孔隙度和硬度的重要参数，较高的电流密度会导致膜层孔隙度增大，从而降低硬度；而较低的电流密度则会使膜层过于致密，影响其耐蚀性。
溶液成分和pH值则影响膜层的化学成分和化学反应过程，进而影响其性能。
膜层表征方法的选择对于准确评估膜层性能非常重要。
常用的表征方法包括扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电化学测试和硬度测试等。
SEM可以观察膜层的形貌和微观结构，确定其致密性和孔隙度，以及检测膜层的缺陷和结构变化。
XRD可以分析膜层的晶体结构和晶相成分，以及膜层的厚度和残余应力。
电化学测试可以评估膜层的耐蚀性能，常用的测试方法包括极化曲线和交流阻抗谱等。
硬度测试可以测量膜层的硬度和表面硬度，常用的方法包括显微硬度的Vickers硬度测试和大面积硬度的洛氏硬度测试。
通过对AZ91D镁合金微弧氧化膜制备的调控及膜层表征方法的研究，可以得出以下结论：在微弧氧化过程中，合理选择电压和电流密度，控制溶液组成和pH值，可以制备出致密、均匀、具有良好耐蚀性和硬度的膜层。
同时，通过SEM、XRD、电化学测试和硬度测试等表征方法，可以全面评估膜层的形貌、结构、化学成分、耐蚀性和硬度等性能参数。
未来的研究方向可以进一步优化微弧氧化膜制备工艺，提高膜层的性能和稳定性。
镁合金微弧氧化膜的相结构研究
N a2 S iO 3 ( 5g / l) + N aOH ( 2g / l) A lum inates ( 1. 1M )
Phase composition ofM AO coating M gO, M gS iO 3, M g2 SiO4, M gF2, M gA l2O4 M g2 S iO4, M gO M g, M gA l2O 4, M gO M gA l2O 4, A l2M g
第 6期
镁合金微弧氧化膜的相结构研究
13
表 3 微弧氧化膜层中相组成的定量估算 结果 T able 3 Q uantitative results of phase composition of
M AO coatings
T echn ica l param eters PH V alue / H z
膜层的 p 值计算结果如表 3所示。 由表 3可见, 工艺参数不同, 制备的膜层的 p 值
呈现一定的规律性变化。将上表中的 p 值进行排序 后, 对相应膜层的耐点滴腐蚀的时间作图, 得到如图 6所示的结果。从图中可以看出, 除 p 值为 1 02时 点滴时间格外长, 是由于微弧氧化时间很长, 膜层很 厚, 并且膜层表面的微孔由于烧结而封闭良好, 从而 对耐蚀性的影响显著外, 膜层中氧化镁相对铝酸镁 相的比例和点滴腐蚀时间 呈现近似二次曲 线的关 系。当二者的比例接近 0 9时, 点滴时间最长, 而二 者的比例过大或过小, 膜层的耐蚀性都不好。
镁相的相对含量进行了估算, 从而确定了膜层中这 两相相对含量对提高耐蚀性能的最佳比例范围。通 过计算不同氧化时间内制备的膜层中尖晶石相的晶 粒尺寸, 探讨了氧化时间对微弧氧化膜层相结构的 影响。这些研究对改进镁合金微弧氧化工艺, 提高 膜层的耐蚀性能有着重要的指导意义。
210984048_镁合金微弧氧化膜层性能优化研究进展
表面技术第52卷第3期镁合金微弧氧化膜层性能优化研究进展张祥1，周亮1，贾宏耀1，冯宴荣1，赵李斌2，房大庆3（1.长安大学 材料科学与工程学院，西安 710064；2.山西银光华盛镁业股份有限公司，山西 闻喜 043800；3.西安交通大学 金属材料强度国家重点实验室，西安 710049）摘要：镁合金是一类重要的工程材料，具有许多优良的物理、化学性能，在航空航天、交通运输、电子通信、生物医学和能源等领域具有广阔的应用前景。
镁合金的应用受到其高化学活性的限制，需要进行表面处理，以避免腐蚀。
在众多表面处理技术中，微弧氧化技术极大地改善了镁合金的综合性能。
其中，工艺参数对膜层性能有着重要的影响。
在分析微弧氧化膜层厚度、微观结构和相组成成因的基础上，结合国内外研究现状重点阐述了电解质、颗粒添加物、电参数（电流模式、电压、电流密度、占空比、频率和氧化时间）对膜层耐蚀性、耐磨性及生物学性能的影响，并由此引出调控导向性、陶瓷膜增韧、性能匹配优化及能源利用率等关键问题。
此外，还探讨了研究者针对上述问题采取的解决方案，并分析了方案的合理性。
最后，结合镁合金微弧氧化目前存在的问题对其未来发展进行了展望。
关键词：镁合金；微弧氧化；耐蚀性；耐磨性；生物学性能中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)03-0122-12DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.03.009Research Progress on Performance Optimization of Micro-arcOxidation Films on Magnesium AlloysZHANG Xiang1, ZHOU Liang1, JIA Hong-yao1, FENG Yan-rong1, ZHAO Li-bin2, FANG Da-qing3(1. School of Materials Science and Engineering, Chang'an University, Xi'an 710064, China; 2. Shanxi Yinguang HuashengMagnesium Co., Ltd., Shanxi Wenxi, 043800, China; 3. State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials,Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)ABSTRACT: Magnesium alloy is an important engineering material with many excellent physical and chemical properties, which has broad application prospects in the fields of aerospace, transportation, electronic communications, biomedicine, energy, etc. However, the application of magnesium alloy is limited by its high chemical activity, so surface treatment is required to avoid corrosion. Micro-arc oxidation (MAO) leads the working area from the Faraday area to the high-voltage discharge area,收稿日期：2022–01–25；修订日期：2022–06–14Received：2022-01-25；Revised：2022-06-14基金项目：陕西省重点研发计划（2021GY–244）；陕西省自然科学基础研究计划（2021JLM–41）；西安交通大学金属材料强度国家重点实验室开放课题（20202204）Fund：Shaanxi Province Key Research and Development Program Project (2021GY-244); Shaanxi Province Natural Science Basic Research Program Project (2021JLM-41); State Key Laboratory of Strength of Metal Materials, Xi'an Jiaotong University Open Subjects (20202204)作者简介：张祥（1998—），男，硕士生，主要研究方向为镁合金表面处理技术。
AZ91D镁合金表面微弧氧化陶瓷膜微观结构与组成的研究
薄壁轴承套圈的热处理工艺杨 健(广东阳春轴承股份有限公司,广东 阳春 529600)摘要:针对外径较大的薄壁轴承套圈按常规热处理工艺处理后变形较大的问题,通过试验分析,改进了热处理工艺。
通过降低淬火温度,选择适当的加热时间,提高淬火油温度,降低油的搅拌速度(甚至不搅拌),可有效减小该类轴承套圈的热处理变形。
关键词:薄壁轴承;套圈;热处理变形中图分类号:TH 133.33+1;TH 156 文献标志码:B 文章编号:1000-3762(2010)01-0027-02热处理中,一些外径较大的薄壁轴承套圈按常规热处理工艺淬火后,出现很大的椭圆变形,不得不进行分选,对超差的套圈进行修正。
因此,应对薄壁轴承套圈的热处理工艺进行研究,以减小套圈的变形。
1 热处理变形主要原因轴承套圈产生变形的主要原因之一是在热处理加热、冷却过程中,套圈表面与内部热胀冷缩不均及组织转变不同时产生的热应力和较大组织应力。
当套圈出现整体的塑性变形时,变形表现为直径方向的胀大或缩小;当出现局部的塑性变形时则表现为圆度或圆柱度误差加大。
由于淬火油的冷却速度快,远远超过套圈在加热炉里的加热收稿日期:2009-03-30;修回日期:2009-10-28作者简介:杨 健(1966-),男,工程师,车削及热处理车间主任,主要从事轴承套圈车削及热处理技术、工艺、设备等的管理工作。
E-ma i:l gdychy @j tom .co m 。
速度,同时薄壁套圈刚度较差,因此变形的绝大部分是在冷却过程中产生的[1]。
影响轴承套圈热处理变形的因素很多,凡是能减少热处理过程中产生热应力和组织应力的方法,都可以减少套圈的变形量。
从热处理工艺角度而言,通过降低淬火温度,适当控制保温时间,提高淬火油温度,降低淬火油的搅拌速度,可有效减小套圈的变形[2]。
外径较大的薄壁轴承套圈,由于自身刚度差,热处理时在一定的热应力和组织应力作用下,就可能产生较大的变形。
因此,要控制其变形,必须制定合适的热处理工艺,控制热应力和组织应力。
AZ91D镁合金微弧阳极氧化及表面处理研究
第45卷 增刊2006年5月 厦门大学学报(自然科学版)Journal of Xia men University (Natural Science )Vol .45 Sup.M ay 2006 收稿日期:2006201218 基金项目:国家自然科学基金(20573086)资助 作者简介:王周成(1963-),男,博士,副教授. 3通讯作者:zcwang@x mu .edu .cnA Z91D 镁合金微弧阳极氧化及表面处理研究王周成3,唐 毅,许 杰(厦门大学化学化工学院材料科学与工程系,福建厦门361005)摘要:采用微弧阳极氧化技术在AZ91D 镁合金表面获得多孔结构的氧化膜,用不同方法对所得氧化膜进行表面后处理以提高其防腐蚀性能.用扫描电镜和电化学方法对阳极氧化膜的形貌和防腐蚀性能进行了研究,比较了不同表面处理方法的作用和效果.结果表明,采用水合及有机物封孔处理能够有效地封闭AZ91D 镁合金微弧阳极氧化膜的微孔,使镁合金耐蚀性能显著提高.关键词:镁合金;微弧氧化;表面处理;耐蚀性能中图分类号:O 646 文献标识码:A 文章编号:043820479(2006)S 20292204 镁及镁合金具有密度低,比强度高的特点,并且散热性佳、回收性好、抗电磁干扰、屏蔽能力强以及能量衰减系数大等特性,在航空航天、汽车工业、光学仪器、计算机制造、家电、通讯以及医疗器材等领域有着广泛的应用[1～3].然而,由于镁合金的化学活性较高,在空气中很容易氧化,生成疏松、保护能力差的氧化膜,导致镁合金在潮湿的大气、土壤和海水中都容易发生严重的腐蚀,限制了镁合金的广泛应用.为了使镁合金得到更为广泛的应用,对其进行表面处理已成为日益重要的研究课题[4～6].微弧阳极氧化又称为微等离子阳极氧化或阳极火花沉积,是将金属材料置于电解质溶液中,利用火花放电作用在其表面原位生成陶瓷膜层的方法.由于阳极氧化膜与金属基体结合力强,电绝缘性好,光学性能优良,耐热冲击,耐磨损,耐腐蚀,因此阳极氧化已经成为镁及镁合金常用的一种表面改性方法[7,8].镁合金微弧阳极氧化过程是将镁合金置于电解质溶液中,在一定电压作用下,使表面微孔中产生火花放电斑点,火花放电使阳极表面局部温度升高,微区温度高于1000℃,从而使阳极氧化物熔覆在金属表面,形成陶瓷质的阳极氧化膜.镁合金微弧阳极氧化电解液的组成决定了氧化膜层的组成和性质.现有关于镁合金微弧阳极氧化防腐蚀处理的溶液配方大多含有Cr 6+,对环境有害.实际应用中电解液应不含对环境有害的物质,同时具有成本低、易于维护等特点.AZ91D 镁合金是目前使用最多的典型压铸镁合金,本文对适合于AZ91D 镁合金微弧阳极氧化的电解液组成经过实验筛选,获得了一种简单、环保的电解液配方,并对微弧阳极氧化所得的具有多孔状结构氧化膜进行表面后处理,进一步提高其耐蚀性能.1 实验部分选材为AZ91D 铸造镁合金,成分(质量百分数)为A l 9.1%,Zn 0.85%,Mn 0.17%,Si ≤0.05%,Fe ≤0.004%,Cu ≤0.015%,余量为Mg .本实验工艺流程如下:制备样品→砂纸打磨→水洗→微弧阳极氧化→水洗→后处理→吹干样品工作面尺寸为10mm ×10mm ,非工作面采用环氧树脂封住.用水磨砂纸由粗到细打磨(320#→500#→800#→1200#)至表面无划痕.所用的电解液组成不含对环境有害的物质,并且原料廉价易得(见表1).所用药品为分析纯,用去离子水配制.表1 电解液的组成Tab .1 Compositi on of electr olyte成分含量/(g ・L -1)Na OH 56Na 2Si O 334H 3BO 322Na 2CO 332 微弧阳极氧化过程在室温下进行,采用直流电源,以AZ91D 镁合金试样为阳极,铂片为阴极,两极间的距离为2c m.接通电源后,缓慢升高电压,当电压升到64V 时,试样表面出现弧光放电现象,并有细微的爆破声.保持该电压2m in,缓慢升高电压直至表面重新增刊 王周成等:AZ91D 镁合金微弧阳极氧化及表面处理研究 ・293 ・出现密集均匀的放电火化.重复上述过程,当电压增加到96V 时,停止增大电压,直至规定氧化时间.微弧阳极氧化过程中用磁力搅拌以保持整个体系恒温和电解液成分的均匀,氧化时间为25～30m in .采用水合和有机物封孔对微弧阳极氧化获得的多孔氧化膜进行表面后处理.水合封孔是将微弧阳极氧化后的样品置于沸水中煮10m in;有机物封孔是用丙酮将环氧树脂或酚醛清漆稀释,将微弧阳极氧化后的样品在有机溶液中反复浸渍多次,每次均把表面多余的有机物用蘸过丙酮的棉花擦去.用Phili p s XL30E 型扫描电子显微镜表征氧化膜的表面形貌.用电化学交流阻抗谱和动电位扫描极化曲线评价氧化膜的耐蚀性能.电化学交流阻抗采用EG&G P ARC M378电化学阻抗测试系统,配合5210锁相分析仪和263恒电位仪,在自腐蚀电位下测定,频率范围0.1Hz ～100kHz,激励信号5mV.极化曲线采用EG&G P ARC M351腐蚀测试系统,配合263恒电位仪,动电位扫描速度为1mV ・s -1.采用三电极体系,以3.5%NaCl 溶液为电解液,铂片为辅助电极,饱和甘汞电极为参比电极,实验在室温下进行.2 结果与讨论2.1 表面处理对氧化膜结构的影响微弧阳极氧化过程中,在强电场作用下,开始形成氧化膜的薄弱位置首先被击穿,进而引起整个氧化膜的介电击穿,发生微区弧光放电,因此微弧氧化获得的氧化膜具有多孔结构[9,10].从AZ91D 镁合金微弧阳极氧化膜表面的SE M 图(见图1a )可以看出,氧化膜表面由直径几十微米大颗粒及大量几微米小颗粒组成,颗粒熔化后连在一起,每个大颗粒中间残留一个几微米大小的放电气孔,颗粒上能观察到氧化膜熔化的痕迹.氧化膜孔洞的存在使腐蚀介质容易渗入,导致基体腐蚀.为了提高氧化膜的耐蚀性有必要进行表面后处理,将孔洞封闭,以便隔绝基体和外界环境介质的接触,增加其防腐性能.本文采用水合和有机物封孔两种表面后处理方法.水合封孔是利用表面的金属元素同沸水反应形成金属的氢氧化物或氧化物沉淀,沉积在孔洞中从而将孔洞填充起来;有机物封孔则是利用物理吸附作用使有机物流动填充到孔洞中将其封闭起来.图1b 、c 和d 分别为采用水合、环氧树脂和酚醛清漆封孔处理后的氧化膜表面SE M 图.由图1b 可见,采用水合封孔对氧化膜孔洞起到了较好的封闭作用,但是由于沉积反应以及孔洞大小的不均匀性导致封闭处理后孔径较大的位置未能完全填充,仍然存在微小的孔洞.环氧树脂的流动性较差,封孔处理后表面不均匀,有个别孔洞未被封闭(见图1c ).而酚醛清漆具有良好的流动性,可以很好的填充孔洞,封孔处理后表面平滑、致密(见图1d ). 图1 AZ91D 镁合金微弧氧化膜的表面SE M 图(a )没有后处理;(b )水合封孔;(c )环氧树脂封孔;(d )酚醛清漆封孔.Fig .1 SE M i m ages of the surface mor phol ogy of m icr o 2arc oxidizati on fil m s on AZ91D magnesiu m all oy・294 ・ 厦门大学学报(自然科学版) 2006年 图2 AZ91D镁合金(a)及其微弧阳极氧化膜经水合(b),环氧树脂(c)和醛清漆封孔(d)后的电化学交流阻抗Nyquist谱 Fig.2 Nyquist p l ots of AZ91D magnesiu m all oy(a)and its m icr o2arc oxidizati on fil m s by boiling in hot water(b),epoxy resin sealing(c),and phonelic varnish sealing(d)2.2 表面处理对氧化膜防蚀性能的影响图2为AZ91D镁合金及其微弧阳极氧化膜经不同表面后处理的电化学交流阻抗谱(Nyquist图).由图3可见,镁合金本身的耐蚀性能很差,其自然氧化膜阻抗仅有数百欧姆.经微弧阳极氧化和水合、环氧树脂和酚醛清漆封孔处理后,阻抗大大增加,其膜阻抗(Rc)分别达到8.72×106、7.58×106和 1.31×108Ω(见表2),提高了4～6个数量级.这表明微弧阳极氧化和表面后处理对镁合金的防腐蚀性能起到了非常重要的作用.图3为AZ91D镁合金及其微弧阳极氧化膜经水合、环氧树脂和酚醛清漆封孔处理后的动电位扫描极化曲线.由图3所示的极化曲线沿阴极和阳极分支的Tafel直线段反推到交点,交点处对应的电流为腐蚀电流密度I corr(结果列于表2).I corr的大小直接反应了材料在腐蚀介质中的耐蚀性能.由表2可见,微弧阳极氧化膜经上述3种表面处理后与AZ91D镁合金相比, I corr明显降低.采用水合封孔处理使I corr降低5个数量级,采用环氧树脂和酚醛清漆封孔处理分别使I corr 降低5和6个数量级,说明微弧阳极氧化和表面后处理大大提高了AZ91D镁合金的耐腐蚀性能,其结果与电化学交流阻抗谱测量结果相一致.电化学交流阻抗和动电位扫描极化曲线测试结果均表明,上述三种后处理方法都可以对氧化膜的孔洞起到有效的封闭作用,提高氧化膜的耐蚀性.相比起来,水合封孔简单有效,使用方便;酚醛清漆流动性好,能够充分地填充到孔洞中,有效地隔绝腐蚀介质和基体的接触,防蚀效果最好.图3 AZ91D镁合金及其微弧阳极氧化膜经水合,环氧树脂和醛清漆封孔后在3.5%氯化钠溶液中的动电位扫描极化曲线Fig.2 Polarizati on curves of AZ91D magnesiu m all oy and its micr o2 arc oxidizati on fil m s by boiling in hot water,epoxy resin seal2ing and phonelic varnish sealing in3.5%NaCl s oluti on增刊 王周成等:AZ91D镁合金微弧阳极氧化及表面处理研究 ・295 ・表2 AZ91D镁合金及其微弧阳极氧化膜经水合、环氧树脂和酚醛清漆封孔后的腐蚀数据Tab.2 Corr osi on values for AZ91D magnesiu m all oy and its m icr o2arc oxidizati on fil m s by boilingin hot water,epoxy resin sealing and phenolic varnish sealingAZ91D镁合金微弧阳极氧化膜经水合封孔微弧阳极氧化膜经环氧树脂封孔微弧阳极氧化膜经酚醛清漆封孔R c/Ωi corr/μA・cm-21.28×1021.58×1048.72×1060.257.58×1060.351.31×1080.0233 结 论AZ91D镁合金经微弧阳极氧化所得的氧化膜为微孔状结构,采用水合、环氧树脂、酚醛清漆封孔处理均能有效地对孔洞起到填充作用,降低氧化膜的孔隙率.电化学交流阻抗和动电位扫描极化曲线测试结果表明,经微弧氧化和表面处理后的镁合金耐蚀性能显著提高.参考文献:[1] 王渠东,吕宣振,曾小勒.镁合金在电子器体中的应用[J].材料导报,2000,14(6):22-24.[2] L i Y,L iu J,Peng X D.App licati on of magnesiu m die cast2ing in aut omotive industry[J].S pecial Casting and Nonfer2r ous A ll oy,1999,2(1):120-122.[3] L iu Z,W ang Y,W ang Z G,et al.Devel op ing trends of re2search and app licati on of magnesiu m all oys[J].ChineseJournal of Materials Research,2000,14(5):449-456.[4] 刘子利,丁江文,胡晶玉,等.AZ91镁合金的应用研究[J].材料科学与工艺,2001,9(2):189-194.[5] 李新林,王慧远,姜启川.颗粒增强镁基复合材料的研究现状及发展趋势[J].材料科学与工艺,2001,9(2):219-224.[6] 刘正,王越,王中光,等.镁基轻质材料的研究与应用[J].材料研究学报,2000,14(5):449-456.[7] 蒋百灵,张先锋,朱静.镁合金微弧氧化陶瓷层的形成机理及性能研究[J].西安理工大学学报,2003,4(19):297-302.[8] M ar p le B R,Voyer J,B iss on J F,et al.Ther mal s p rayingof nanostructured cera m ic coatings[J].Journal ofMaterials Pr ocessing Technol ogy,2001,117:418-423.[9] 陈宏,郝建民,王利捷.镁合金微弧氧化处理电压对陶瓷层的影响[J].表面技术,2004,3(33):17-18. [10] 陈长军,王东生,郭文渊,等.Z M5镁合金表面高能微弧沉积Z L301铝合金的研究[J].金属热处理,2003,28(9):1-4.S tu d y on th e M ic ro2a rc O x id a tion an d S u rface T rea tm en t ofA Z91D M agn es ium A lloyW AN G Zhou2cheng3,TAN G Y i,XU J ie(D ep t.of M aterials Sci.and Eng.,C ollege of C hem.and C hem.Eng.,X iam en U niv.,X iam en361005,C hina)A b s t ra c t:A nti-corrosion fil m s w ere for m ed by m icro2arc oxidization on A Z91D m agnesium alloys in environm entally friendly elec2 trolyte solutions containing silicate,alkali hydroxide,boric acid and carbonate.The anodic fil m s w ere rough and porous and the surface treat m ent m ethods for sealing the pores w ere developed.The effective p rotective w ays w ere studied by scanning electron m icroscope (SE M)and electrochem ical m ethods.The results show that surface treat m ent can effectively reduce the porosity and enhance the anti2cor2 rosion p roperty of the anodic fil m for m ed by m icro2arc oxidization on A Z91D m agnesium alloy.K e y w o rd s:m agnesium alloy;m icro2arc oxidization;surface treat m ent;anti2corrosion p roperty。
电参数对AZ91D镁合金微弧氧化膜层微观结构及耐蚀性的影响
微孔 比例 都大于 ６ ％；膜层表面孔径和孔 隙率 的定量评价与膜层形貌分析相 结合可为膜层耐蚀性的分析提供有力 ０
依据。
关键 词 ：镁 合 金 ：微 弧 氧 化 ； 电 参数 ；孔 径 ；孔 隙 率 ：耐 蚀 性
中图分类号：Ｔ ７ Ｇ１４
文献标志码 ：Ａ
Ｅｆｅ ｔ ｆｅ ｅ ｔ ｉ ａ ａ ａ ｅ ｅ ｓｏ ｆ ｃ ｓｏ ｌ ｃ ｒ ｃ ｌ ｒ ｍ ｔ ｒ ｎ ｐ
电参数对 Ａ ９ Ｄ镁合金微 弧氧 化膜层微观结构 Ｚ１ 及 耐 蚀 性 的影 响
马 颖 一，詹 华 ，马跃 洲 ， 吕维玲 ，冯君艳 ，高 唯
（１ 兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建 国家重点实验室，兰州 ７ ０ ５ ； ． ３００
２ Ｆ ｃ ｌ ｆ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｔ ｅ ｎｖ ｒｉ ｆ ｃ ｌｎ ， ｕ ｋａ ｄ １４ ， ｗ ｅ ｌ ｄ ． ａ ｕｔ ｏ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ， ｈ ｉｅｓｙ ｏ Ａｕ ｋａ ｄ Ａ ｃ ｌ １ ２ Ｎｅ Ｚ ａ ｎ ） ｙ ｉ Ｕ ｔ ｎ ａ
增大 ；频率与 占空比对膜层厚度 的影响不大，但对表面孔隙率和耐蚀性 有一 定的影响 ；频率为 ８ ０Ｈ 、占空比为 ０ ｚ
１％时 ，膜 层 耐蚀 性 较 好 ，此 时所 得 膜 层 的 表 面 孔 隙率 较 小 ，分 别 约 为 ８ ５ ％和 １ ％，膜层 表 面上 孔 径 在 ｌ３岬 １ ０ － 的
Ｌ ｎ ｈ ｕ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｆ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｌａ ｚ ｏ ３ ０ ０ Ｃｈ ｎ ； ａ ｚ ｏ ｉ ｅ ｓｔ ｏ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ， ｎ ｈ ｕ ７ ０ ５ ， ｉａ ｙ
２ Ｆ ｃ ｌ ｆ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｔ ｅ ｎｖ ｒ ｔ ｏ Ａｕ ｋａ ｄ Ａ ｃ ｌ ｄ １４ ， ｗ ｅ ｌ ｄ ． ａｕｔ ｏ Ｅ ｇ ｅ ｎ ， ｈ ｉｅ ｉ ｆ ｃ ｌ ， ｕ ｋａ １ ２ Ｎｅ Ｚ ａ ） ｙ ｎ ｉ Ｕ ｓｙ ｎ ｎ ｎ ａ
镁合金AZ91D化学镀前处理工艺的研究
为 21 世纪的“绿色工程材料”。但镁合金化学活性很 高，在各种环境中的耐腐蚀性都比较差，这成为其应 用中的一个瓶颈[1-2]。为了解决镁合金的腐蚀问题，国 内外的许多专家、学者已在镁合金的腐蚀机理和防护 措施方面开展了许多工作。防护方法主要包括：阳极 氧化、化学转化、激光表面改性、物理气相沉积和化 学镀等[3]。通过化学镀镍工艺对镁合金进行表面处理可 以同时提高耐腐蚀性和耐磨性，有着广阔的应用前景。 然而，由于镁合金的化学性质十分活泼，用于钢铁等 基材的普通化学镀液不适合镁合金。为了实现镁合金 上化学镀镍，必须进行特殊的前处理，以除去其表面 的氧化物、腐蚀产物以及其他污染物，提高其表面质 量[4-6]。本文采用正交试验，研究了酸洗液中各组分对 酸洗效果及镀层性能的影响，并对酸洗时间的影响进 行了分析，得出了镁合金酸洗的优选工艺，同时研究 了活化对基材表面状态的影响。
CH3COONa 氨水
5 ~ 10 g/L 30 mL/L
HF
10 mL/L
pH
6.5 ± 0.5
θ
87 °C
2. 2 正交试验设计
目 前 普 遍 使 用 的 镁 合 金 酸 洗 液 大 多 是 CrO3 +
镁合金 AZ91D 化学镀前处理工艺的研究
HNO3 体系的酸洗液，这类酸洗液具有酸洗效果好、容 易控制等优点。本实验也采用该体系酸洗液，正交试
density were studied by orthogonal test. The influence of
activation time on matrix surface state was discussed and the
corrosion resistance and wear resistance of electrolessly
AZ91D镁合金表面机械研磨处理后显微结构研究
第３期侯利锋等：Ａｚ９ｌＤ镁合金表面机械研磨处理后显微结构研究·５３１·图ｌＳＭＡＴ前后样品表面的Ｘ射线衍射图谱Ｆｉｇ．１ⅪｍｐａｔｔｅｍｓｏｆｔｔｌｅＡＺ９ｌＤｍａ卯ｅｓｉ岫ａｌｌｏｙ姐ｍｐｌｅｓａｆＩｅｒｔｔｌｅＳＭＡＴｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｔｉｍｅｓ图２经ＳＭＡＴ处理３０ｍｉｎ后样品的横截面组织Ｆｉｇ．２Ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎａｌｍｉｃｒｏｓｔｍｃｔｕｒｅｏｆｔ１１ｅＳＭＡＴｅｄｓａｍｐ】ｅｆｏｒ３０ｍｉｎ取表面机械研磨处理３０ｍｉｎ的样品进行显微组织结构观察。
图３为样品中距表面约７０“ｍ处的ＴＥＭ明场像。
由图可见，晶粒内部形成了大量的位错缠结区，位错呈不均匀分布，将晶体分成许多高位错密度和低位错密度的区域。
图４为样品中距表面约４０Ｉｌｍ的ＴＥＭ明场像。
可以看出，晶粒尺寸大约为２００ｎｍ，且在同一个晶粒中衬度有明显的变化，这表明晶粒中存在一定的内应力。
另外，在组织中还观察到少量的孪晶，如图５ａ所示。
图５ｂ为对应的衍射花样。
晶带轴方向为【１乏１了】，镜面对称的面指数为（１Ｔ０１），这表明属于｛１０１１）对称结构，角度为～１５０。
图４距样品表层４０ｕｍ处的ＴＥＭ明场像Ｆｉｇ．４ＢＦｉｍａｇｅｓｏｆｔｈｅｌａｙｅｒａｔｔｈｅｄｅｐｔｈｏｆ４０Ⅲｍ厅ｏｍｓｕ血ｃｅ图５变形孪晶的微观组织形貌（～３０岬）及其衍射花样Ｆｉｇ．５（ａ）ＴＥＭｉｍａｇｅｓｈｏｗｉｎｇｔｈｅｄｅｆｏｍａｔｉｏｎｔｗｉｎｓｉｎｔｈｅｈｃｐｇｒａｉｎ（～３０ｐｍｄｅｅｐ）ａｎｄ（ｂ）ｓｅｌｅｃｔｅｄｅｌｅｃ仃ｏｎｄｉ册ａｃｔｉｏｎｐａｎｅｍｗｉｔｈａｘｉｓ【１２ｌ３】图６为在变形层中观察到的亚晶结构。
其晶界清晰可见，但晶界不平直，呈现出厚的消光条纹，这和图３距样品表层７０岬处的ＴＥＭ明场像高的弹性应力和近晶界区晶格畸变有关。
Ｆｉｇ．３ＢＦｉｍａｇｅｓｏｆｔＩｌｅｌａｙｅｒａｔｔｈｅｄｅｐｔｈｏｆ７０“ｍ舶ｍｓｕ血ｃｅ图７为表面机械研磨处理后样品表面层的ＴＥＭ·５３２·稀有金属材料与工程第３７卷明场像及选区电子衍射花样。
AZ91D镁合金仿生功能表面的摩擦磨损的试验研究12
目录目录中文摘要 (I)Abstract (III)第一章绪论 (1)1.1课题的目的及意义 (1)1.2镁合金推广应用过程中的问题 (3)1.2.1 镁合金摩擦磨损 (3)1.2.2 镁合金耐腐蚀性能 (5)1.3 镁合金表面处理技术的研究现状 (7)1.3.1 化学转化膜 (7)1.3.2 阳极氧化 (8)1.3.3 微弧氧化 (9)1.3.4 电镀和化学镀 (10)1.3.5 气相沉积 (12)1.3.6 有机涂层和复合涂层 (13)1.3.7 自组装单分子膜 (13)1.3.8 高能束技术处理 (14)1.4 本文主要研究内容 (14)I吉林大学学士论文第二章实验材料及方法 (15)2.1 实验材料的选择 (15)2.2 实验设备的选择 (16)2.3 微观形貌观察及力学性能测试 (17)2.3.1 试样制备 (17)2.3.2 微观形貌观察 (18)2.3.3 显微硬度 (18)2.4 摩擦磨损性能 (18)2.5 腐蚀性能 (19)2.6 本章小结 (20)第三章 AZ91D镁合金表面电沉积镍涂层的制备实验 (22)3.1配制实验药剂溶液 (22)3.2实验方案 (23)3.3 本章小结 (25)第四章 AZ91D镁合金表面电沉积镍涂层微观形貌及力学性能 (26)4.1 表面形貌分析 (26)4．2化学成分分析 (27)4.3 力学性能测试 (28)II目录4.4本章小结 (28)第五章 AZ91D镁合金表面电沉积镍涂层摩擦磨损和耐腐蚀性能的研究 (30)5.1 AZ91D镁合金表面电镀镍层的磨擦磨损表现和镁合金处理形式的关系 (30)5.2 关于AZ91D镁合金表面电化学镀镍凃层耐腐蚀性的研究 (32)5.3 本章小结 (35)第六章结论 (36)致谢 (38)参考文献 (39)III第一章绪论中文摘要镁合金是最轻的金属结构材料，目前，受到工业界的广泛重视。
然而，镁合金表面的耐腐蚀与耐磨性差是制约其推广使用的主要因素[1]，本文针对镁合金的表面质量问题，基于工程仿生原理，进行了镁合金仿生功能表面的制备，并对其耐腐蚀性性、耐磨性进行了性能测试，得到的仿生功能表面具有较优的耐腐蚀性与耐摩磨损性能。
镁合金微弧氧化
工作进度安排
前期准备： 前期准备：（2011年3月～2011年5月）学习掌握镁合金及 表面防护的相关基础知识。学习相关的微弧氧化原理及工设 备操作。 组织实施：（20011年6-7月）确定研究路线和方案。采购相 组织实施： 关的原材料，化学试剂，加工试样。 实践环节： 实践环节：（2011年8月～2011年10月）进行相关实验，对 试样进行微弧氧化试验及组织及性能分析。 项目结题： 项目结题：（2011年11-12月）：学生撰写结题报告，准备 答辩。 教师指导： 教师指导：教师指导学生学习相关书籍，解答学生的疑惑。 引导学生去查阅文献和资料初步成型方案。并在各个环节实 时指导学生，督促学生及时总结。指导学生如何撰写论文。
预期目标
1、电解液的选择与优化； 2、各工艺参数对膜层性能的பைடு நூலகம்响规律； 3、最佳工艺下膜层的各项性能研究，如耐 蚀性、耐磨性、高温抗氧化性能等； 4、镁合金微弧氧化膜的生长过程及机理。
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镁合金微弧氧化工 艺研究答辩
材料学院 陆正萍
contents
1课题名称 2项目来源 3主要技术 4研究目标 5工作进度安排 6预期目标
课题名称
镁合金微弧氧化工艺研究
课题背景
镁合金是工程上使用的密度最小的金属结构材料， 由于具有高的比强度、比刚度、优良的电磁屏蔽 性能而受到航空航天、汽车和电子通讯等行业的 广泛关注。但镁的电极电位很低，约为-2.37V， 化学稳定性差，在大多数介质环境中易受到腐蚀， 这严重制约了镁合金在现代工业中的推广应用， 因此开展镁合金的防护技术研究，提高镁合金的 耐腐蚀性能将具有非常重要的现实意义。
微弧氧化
微弧氧化（MAO）它是将镁、铝、钛 等有色金属及其合金作为阳极，置于 电场环境的电解液中，使被处理工件 表面在电场作用下产生微弧放电而原 位生长出一层与基体以冶金形式结合 的陶瓷膜层。
基于电参数的AZ91D镁合金微弧氧化膜层厚度分析研究-论文
基于电参数的AZ91D镁合金微弧氧化膜层厚度分析研究*贾金龙(兰州工业学院材料工程学院,甘肃兰州 730050)摘 要:根据镁合金微弧氧化微区电弧放电机理㊁微弧氧化的三个阶段理论,并根据实验中出现的,保持电压恒定时,在微弧氧化处理初期电流不断下降,后期电流保持稳定或微升这一现象,拟合出负载阻抗随时间变化的三次方程,从而实现了在实验过程中的膜层厚度监测,具有一定的工程应用价值㊂关键词:镁合金;微弧氧化;膜层中图分类号:TG174 文献标志码:A 文章编号:1007-4414(2014)05-0093-03 Analysis and Research on Thickness of Micro-Arc Oxidation Film in AZ91D MagnesiumAlloy Based on the Electrical ParametersJIA Jing-long(Department of Materials Engineering,Lanzhou Institute of Technology,Lanzhou Gansu 730050,China) Abstract:Based on the micro-discharge mechanism of micro-arc oxidation(MAO)of magnesium alloys and the three-stage theory of micro-arc oxidation,and according to the phenomenon occurred in experiments,which is,while a constant voltage is maintained,current keeps declining at the beginning of micro-arc oxidation and be stable or increases slightly at the later mi⁃cro-arc oxidation,a time-varying load impedance cubic equation is fitted out,thus the film thickness monitoring during ex⁃periments could be realized,and it has a certain value in engineering.Key words:magnesium alloy;micro-arc oxidation(MAO);film0 引 言微弧氧化(MAO)是一种表面处理技术,其原理是对置于特定溶液中的铝㊁镁㊁钛等轻金属及其合金加载高电压,使其表面发生电弧放电,在一系列反应的共同作用下生成具有高硬度㊁高结合强度㊁耐磨㊁耐蚀等特点的与基体结合牢固的陶瓷膜层[1-5]㊂微弧氧化技术具有简单环保㊁陶瓷膜层耐蚀耐磨硬度高等优点,是最有前途的表面处理方法之一㊂该技术在航天航空㊁机械和汽车领域有广阔的应用前景㊂目前微弧氧化技术在一汽集团㊁哈尔滨迪思数控㊁成都普斯特㊁富士康等单位得到推广或应用㊂从微弧氧化的研究状况来看,其研究重点主要集中在电解液配方㊁电参数对膜层性能的影响及膜层生长机理等方面,但很少有人在膜层厚度监测方面做过相应研究,实验室曾经尝试用神经网络建模的方式来预测膜层厚度,但由于影响微弧氧化膜层厚度的因素很多,导致神经网络所需的样本量非常大,前期需要大量的工作才能建立一个相对较粗糙的模型,且精度达不到相应的要求㊂在生产应用中,一般都是通过控制微弧氧化时间来控制膜层厚度,这种方法生产出来的膜层厚度相差很大,且不利于控制成本㊂笔者针对AZ91D镁合金在硅酸盐溶液下的微弧氧化实验㊂采用自行研制的带放电回路脉冲电源㊂实验采用频率为667Hz,在处理时间相同时终值电压不同和电压增加速率相同处理时间不同两种情况下实验,通过观察电弧形态来研究微弧氧化膜层厚度的变化规律㊂并从微区机理上来解释镁合金微弧氧化膜层厚度为何能监测㊂1 实验方法实验采用自行研制的脉冲电源,实验平台如图1,由主电路㊁控制电路㊁过程控制单片机系统㊁传感器㊁示波器及计算机在线监控系统构成㊂试验平台还包括电解槽及电解液搅拌㊁温度检测㊁循环冷却等装置㊂图1 微弧氧化实验装置示意图㊃39㊃㊃机械研究与应用㊃2014年第5期(第27卷,总第133期) 应用与实验*收稿日期:2014-10-13作者简介:贾金龙(1983-),男,甘肃渭源人,助教,主要从事弧焊电源㊁微弧氧化工艺等方面的研究㊂ 实验采用AZ91D 商用镁合金,其化学成分见表1,试样尺寸为ϕ30×10mm㊂使用前经1500目砂纸去除自然氧化膜㊁超声清洗去除油污等不利成膜物质㊂电解液采用硅酸盐体系配方,硅酸钠为13g /L,氟化钾为12g /L,氢氧化钠为4g /L,蒸馏水配制㊂控制溶液为弱碱性㊂电源阴极选用不锈钢板㊂实验过程中,电源脉冲频率设定为667Hz,占空比为30%㊂表1 实验采用的AZ 91D 镁合金的化学成分(质量分数/%)AlZnMnSiFeCuNiMg8.5~9.50.5~0.90.17~0.4≤0.05≤0.004≤0.015≤0.001余量微弧氧化后用TT260涂层测厚仪测量陶瓷膜层的厚度;用JSM-6700F 扫描电镜观察膜层微观形貌㊂用Tektronix TDS3034记忆示波器记录负载波形㊂自行设计的软件在线监测各项参数㊂2 膜厚监测原理膜厚的监测是在实验过程中观察到的微弧氧化三阶段和基于此而演绎出的微区放电机理的基础上,通过实验验证的,下面先简要介绍三阶段和四过程,之后在提出基于三阶段四过程理论的膜厚检测理论㊂2.1 微弧氧化处理中的实验现象 实验发现,微弧氧化实验过程中明显有三个阶段:①试样表面充满气泡;②随着电压增加出现微小亮白色弧斑,见图2(a);③电压进一步增加至超过某一上限值时,电弧由亮白变为黄色,数目明显减少,尺寸和持续时间增加,甚至会在试样某些区域形成持续大面积的电弧,见图2(b)㊂图2 微弧氧化及大弧现象2.2 微区放电机理目前,学界普遍认可的机理是电弧放电理论,即认为微弧氧化是由于金属表面氧化膜被击穿而发生的㊂但是实验中所见弧光细密,能量较小,且阳极氧化膜表面疏松,不可能产生击穿氧化膜的现象,只能是在氧化膜的疏松薄弱部位产生电弧㊂该课题组在研究电弧理论并综合实验现象的基础上提出了微区放电机理㊂微弧氧化过程在强电场下进行且实验中可见明显的气泡及电弧,符合电弧理论㊂另外实验证明,微弧氧化前必须有阳极氧化过程,阳极氧化膜不致密,有许多微小的裂纹,并裸露出镁合金表面,在通电溶液中会形成微小导电通道,该通道就是电弧放电区域,见图3(a)㊂因此,微区放电机理认为每个微区在微弧氧化中会经历四个步骤:①该区域附近的水溶液被电解为以氧气为主要成分的气体,这些气体补满阳极氧化膜及其中微小的缝隙;②随着电解持续,析出的气体会逐渐填满微小通道,此时该气泡将承受高电场作用,当电场强度达到气体击穿的临界值时,会引发气体放电,形成电弧;③由于电弧温度极高,将导致微小区域内的镁合金在高温下被氧化,从而形成液态金属氧化物,由于氧化物的体积大于原通道容积,故发生类似火山喷发现象,将氧化物喷至表面;④电弧放电完毕后,过大的温度梯度使液态金属氧化物骤冷收缩,在扫描电镜下呈现火山口形貌,见图3(b)㊂图3 基于微区放电机理建立的模型2.3 膜层检测机理通过大量的实验数据采样,并根据电路仿真软件分析结果后建立的等效电路模型如图4所示㊂从该图可看出它是一阶RC 电路,这与实验中采样波形所表现出的电容性负载完全一致,符合实验规律㊂图4 负载等效电路模型 该模型中R 0为电解液电阻,其值在一次实验中变化不大,R 1为陶瓷膜层电阻,随微弧氧化进行电阻增大,R 2为动态电阻,即在实验充放电过程中产生的电阻变化,总的来说随着膜层厚度增加,该值在不断增大,C 0㊁C 1为电解液㊁电化学反应等形成的电容,在实验中由于溶池形状㊁电极形状㊁相对位置不变,溶液浓度基本保持不变或略为变稀,故电容大小稳定不变或者稍有减少㊂用系统的平均阻抗来表示以上各值的关系更为直观,操作过程为利用计算机在线系统采集一段时间内的电压和电流值,然后利用欧姆定律求其平均阻抗㊂在实验中发现,其它实验条件不变时,在某一电㊃49㊃应用与实验 2014年第5期(第27卷,总第133期)㊃机械研究与应用㊃压下,开始阶段,电流不断下降,呈现电阻效应,大约30min后,在该电压下,电流开始增加,呈现负阻效应,这是电阻效应阶段,电容不变,随着膜层厚度增加,电阻逐渐增加,因而电流不断下降㊂随着微弧氧化推进,进入平衡阶段,此时虽然随着时间推移膜层厚度在缓慢增加,但是膜层开始疏松,从而导致其裸露金属增多,整个试样呈现较多的金属性而陶瓷性变少,膜层厚度增加造成阻值增大与膜层疏松金属裸露导致的阻值减小在一定程度上相当,故电流保持不变,但由于膜层表面孔洞增大使膜层耐蚀性变差㊂此种膜层在工业上也没有应用价值㊂基于以上实验现象和理论分析,可以监测膜层的厚度增加过程,为工业生产奠定一定的基础㊂3 膜层厚度监测实验3.1 电压加载速率对膜层厚度的影响实验频率依然为667Hz,占空比为30%㊂实验过程中,开机后在1min内将电压提高到起弧电压,然后分别按50㊁100㊁150㊁200(V/min)的电压加载速率加载1min,之后保持电压恒定,即在210V㊁260V㊁310V㊁360V电压下处理10min后关机,微弧氧化总时间为12min㊂电压恒定不变期间,观察电弧形态,在210V下,电弧细小致密㊁均匀亮白㊁不断闪烁,实验现象表明此时满足起弧条件的微小区域较多,起弧均匀,膜层厚度一致,表面较为光滑,如图5(a)所示㊂在260V下,电弧数量减少㊁电弧变大,均匀㊁电弧颜色变为桔黄色㊁不断闪烁,实验现象表明此时满足起弧条件的微小区域依然较多,但由于能量较之前增大,可以在更深更大的裂缝处起弧,膜层厚度一致,表面光滑度开始下降,如图5(b);电压为360V时,电弧颜色变为桔红色,数量量减少㊁持续变长㊁电弧更大㊁更不均匀,实验现象表明由于能量增大,可以在大片的区域内起弧,由于起弧区域大,故其电弧燃烧时间长㊁尺寸大,形成的陶瓷膜粗糙度增加,且厚度不均匀,如图5(c)㊂从电弧形态和后续膜层侧后可以看出,电压过小成膜效率低,表面光滑,电压过大虽然提高成膜效率,但也会增加膜层表面粗糙度,降低膜层耐蚀性,只有电压大小适中时才能在成膜效率和膜层性能二者之间找一个平衡点㊂图5 不同终值电压下的电弧形态 电压加载速率与膜层厚度的关系如图6,由图可知,电压加载速率与膜层厚度成正比,这也符合之前电场强度与微区深度理论,电压加载速率在100V/ min以下时电压加载速率与膜层厚度呈现近似线性关系;随着电压加载速率的提高成膜速率逐渐降低直至接近于零㊂这是因为加载速率较低时,电场强度小,随着电场强度的增加,可以起弧的微小区域增加占主导趋势;而当电压加载速率较高时,电场强度增加,能量趋于集中,可以在更大更深的裂缝处起弧从而形成局部烧损,导致膜厚增长变缓,膜层粗糙度增加㊂电压加载速率更大时,能量更加集中,上述不均匀性加剧,导致膜层厚度极不均匀,试样表面烧损严重㊂综合结果表明,电压加载速率为100V/min,即脉冲电压值在250V左右,微弧氧化工艺性能较好㊂图6 电压加载速率与膜层厚度的关系3.2 微弧氧化时间对膜层厚度的影响实验频率667Hz,占空比30%,起弧电压为160 V,电压加载速率为10V/min条件下进行㊂起弧后分别在5㊁10㊁15㊁20㊁25㊁30㊁35min取出试样,测膜层厚度,从而得到在同样加载速率下不同处理时间的膜层厚度,在实验中同时通过计算机在线监测系统记录的电流和电压值计算该段时间内负载的平均阻抗,将处理时间㊁膜层厚度㊁平均阻抗三者作图,如图7㊂图7 平均阻抗㊁膜层厚度㊁处理时间的曲线关系 可看出,在恒电压增量加载模式前期,由于膜层厚度不断增加㊁但膜层性能变化不大,平均负载阻抗随实验进行而逐渐增加,表现为电阻阶段,当处理时间超过30min时,负载阻抗曲线开始平缓,即膜层电(下转第98页)㊃59㊃㊃机械研究与应用㊃2014年第5期(第27卷,总第133期) 应用与实验。
AZ91D镁合金α、β相上微弧氧化膜的生长特点
AZ91D镁合金α、β相上微弧氧化膜的生长特点马颖;王兴平;安凌云;孙乐;董海荣;王占营【摘要】在硅酸盐体系电解液中,在不同电压下对AZ91D镁合金进行微弧氧化处理,研究微弧氧化过程中基体中所含旷Mg和β-Mg17Al12相组成物上微弧氧化膜的生长特点.分析了膜层的微观结构、元素分布及相组成.结果表明:微弧氧化膜形成初期,尽管β相上先于α相生成无击穿微孔的氧化膜,但击穿却首先在α相表面发生,使得有击穿微孔的微弧氧化膜首先在α相表面形成,再逐渐扩展到整个基体表面.基体α、β相上Mg、Al元素摩尔分数的差异,使得所成微弧氧化膜中Mg、Al、O在膜层表面的分布都不均匀,但随着膜层厚度的逐步增大,3种元素的分布逐渐均匀化,而Si、F元素的分布始终比较均匀.因此,基体中不同的相组成物主要影响微弧氧化的初期成膜过程,而对膜层形成后的长大过程影响不大,当工作电压为250V时,获得了表面元素分布较为均匀的膜层.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2018(044)005【总页数】6页(P1-6)【关键词】镁合金;微弧氧化;基体相组成物;膜层生长【作者】马颖;王兴平;安凌云;孙乐;董海荣;王占营【作者单位】兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TG174镁合金具有质量轻、密度小、比刚度和比强度高、良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能，以及优良的切削加工性能等优点，是一种颇具发展和应用潜力的超轻结构材料，目前主要应用在汽车、航空航天和电子领域[1-3].然而，由于镁合金的耐磨性、耐蚀性较差[1-3]，严重制约了其应用，必须对其进行适当的表面处理.近年来，新兴起的微弧氧化技术又称等离子电解氧化、电火花阳极氧化以及微等离子氧化，是一种应用于镁、铝、钛等轻金属的表面处理技术[4-6]，该技术有许多优点，如电解液环境友好、较少或不需要前处理，所得膜层具有优良的耐蚀性和耐磨性[7]，特别适用于镁合金的表面处理.近年来，国内外的众多学者纷纷研究电参数[8-12]、电解液成分[13-17]的变化对镁合金微弧氧化膜的生长、结构及性能的影响，同时，基体成分的变化[18-20]对微弧氧化膜的影响也受到了大家的关注.Soliman等[18]通过对比分析AMS4429、AZ31HP-O和MZ系列的镁合金微弧氧化膜的生长差异后发现，合金元素的不同会影响膜层的最终状态和耐蚀性.Husseig等[19]在研究AZ91D、AM60B和AJ62型镁合金微弧氧化膜的生长特点后指出，膜层的表面形貌、厚度、物相种类及耐蚀性在很大程度上取决于基体的合金元素.Cakmak等[20]通过对比研究AZ系列(AZ91D、AZ31B)和AM系列(AM60B、AM50B)的镁合金微弧氧化膜后发现，与AM系列相比，AZ系列的镁合金表面形成的微弧氧化膜更光滑更致密、附着力更好、硬度更高、电化学性能和力学性能更好.由此可见，基体成分的变化对镁合金微弧氧化膜的生长、结构及性能有较大的影响.但同时也发现，这些研究是在不同的镁合金基体上进行的，而对于同一基体中的不同相组成物(如AZ91D镁合金由富镁的α-Mg和富铝的β-Mg17Al12相组成)，由于其成分的差异是否会对微弧氧化膜的生长和最终状态产生影响缺乏探讨.基于此，本研究以AZ91D镁合金为基体，在硅酸盐体系电解液中进行微弧氧化处理，通过研究α、β相组成物表面的微观形貌及成分的变化，分析火花击穿前后膜层的形成过程，研究所成膜层的微观结构及元素分布，探讨2种相组成物对微弧氧化膜的成膜和长大过程的影响.1 试验1.1 材料与试剂所用基体材料为AZ91D镁合金，其元素成分为w(Al)=8.3%～9.7%、w(Zn)=0.35%～1.0%、w(Mn)=0.17%～0.27%、w(Si)≤0.05%、w(Cu)≤0.025%、w(Ni)≤0.001%、w(Fe)≤0.004%，其余为Mg.镁合金锭通过机械加工成方片试样，试样的尺寸为：30 mm×20 mm×10 mm.为了便于在电子显微镜下观察基体中的不同相组成物，在微弧氧化处理前，对试样进行一定的表面预处理，先用150 目的砂纸对试样进行打磨，去除机械加工时表面形成的氧化皮，再依次用400、800、1 500、2 000目的砂纸对试样继续打磨，然后进行抛光处理，再用清水冲洗，最后吹干.试样与直径φ3 mm铝丝的一端相连，连接处用高分子液体密封胶覆盖，铝丝的另一端固定在电源支架上，试样作为阳极，不锈钢片作为阴极.采用硅酸盐体系电解液，电解液的组成为硅酸钠、氟化钾及氢氧化钠，实验过程中不断进行冷却，使其温度保持在20～40 ℃.采用自制的双极性脉冲电源，基于前期实验结果，将不同试样分别在工作电压为100、150、180、250、450 V下恒压处理5 min. 1.2 检测方法基体及膜层表面形貌采用JSM-6700F型扫描电子显微镜(SEM)进行表征.基体及膜层中元素含量及分布使用EPMA-1600型电子探针(EPMA)进行检测分析.膜层物相采用日本理学的D/MAX-2400型X射线衍射仪(XRD)进行检测，其中衍射条件：阳极选用铜靶，电子加速电压40 kV，电流60 mA，入射角3°，在10°～80°扫描，步长、速度分别为0.02°和2(°)/min.2 结果与讨论2.1 基体的相组成物及其成分图1为AZ91D镁合金基体微观形貌及α、β不同相组成物的电子探针成分分析.从图1a基体的微观形貌可以看到，基体由α相、β相组成，β相呈岛状，散布于基底α相上.而从图1b、c 相组成物的成分分析结果可知，2相组成物中均主要含Mg、Al元素，同时含有少量的Zn，但Mg、Al元素的摩尔分数明显不同.2相组成物相比，α相中含有较多的Mg，而β相含有较多的Al.图1 AZ91D镁合金基体微观形貌及α、β不同相组成物的成分Fig.1 Micromorphology of substrate and element compositions of α- and β-phases2.2 微弧氧化过程基体不同相组成物的表面形貌变化图2为不同工作电压下试样的表面微观形貌，从中可以看出，微弧氧化过程中，随着工作电压的提高，试样的表面微观形貌不断变化.工作电压为100、150、180 V时，试样表面仍可观察到明显的β相，而工作电压在250 V后，不能观察到β相.同时，随着工作电压的提高，150 V时，α相局部区域开始出现明显的击穿微孔，180 V时，微孔扩展到整个α相区域，同时微孔略有变大，而250 V时，整个试样表面布满微孔，同时微孔进一步变大，继续升高电压到450 V，微孔明显变大.镁合金微弧氧化过程中，由于击穿过程的影响，所成微弧氧化膜层具有表面布满击穿微孔的典型特征，因此可以根据击穿微孔的情形来判断微弧氧化膜层的生长情况.从图2中试样表面击穿微孔的情况可以判断，工作电压为100 V时，试样表面无击穿微孔，表明α、β相均无击穿发生，同时也表明无微弧氧化膜层形成.150 V时，试样α相局部区域开始发生击穿、生成微弧氧化膜，至180 V时，α相全部区域均已生成微弧氧化膜，而β相仍无微弧氧化膜形成.而到250 V时，整个试样表面布满了击穿微孔，表明β相也已生成了微弧氧化膜，整个基体表面均已形成了微弧氧化膜.继续提高工作电压，膜层开始不断长大，微孔的尺寸也不断变大.图2 不同工作电压下试样的表面形貌Fig.2 Surface morphology of specimens treated under different working voltages由此可见，AZ91D镁合金微弧氧化过程中，α、β不同相上微弧氧化的初期成膜有先后，即击穿首先在α相上发生，使得微弧氧化膜首先在α相上先生成，然后才在β相上生成，进而整个基体表面被微弧氧化膜层所覆盖.2.3 微弧氧化过程基体不同相组成物表面的元素变化根据不同工作电压下试样表面微观形貌的分析可知，当工作电压增大到250 V时(如图2 d所示)，整个基体表面均已生成微弧氧化膜，但α、β不同相上微弧氧化膜的形成过程并不相同.下面进一步分析微弧氧化膜逐步形成过程中2相组成物表面元素种类及摩尔分数的变化，图3为α、β相表面主要元素摩尔分数随工作电压的变化.从图3中可以看出，100 V时，α相表面的主要元素为Mg、Al，与基体成分相同，表明无氧化膜生成，而β相表面不仅含有Mg、Al，还含有一定量的O，表明有氧化膜生成，但由于其表面无击穿微孔(如图2a所示)，表明该氧化膜不是微弧氧化膜；150 V时，α相表面开始出现一定量的O，表明氧化膜也开始生成，且部分区域出现击穿微孔(如图2b所示)，表明击穿开始发生，微弧氧化膜开始生成，并且以氧化物为主；180 V时，α相表面含有O、Si、F等元素，表明α相表面微弧氧化膜所含元素的种类增多，同时也表明电解液中的各物质均已参与了成膜反应，因为根据基体成分及电解液组成可推知，膜层中的Mg、Al来自AZ91D镁合金基体，而F、Si、O来自电解液；250 V时，α、β相表面O、Si、F等元素摩尔分数较180 V时均有所升高，而此时β相表面也已形成微弧氧化膜，表明2相组成物表面所形成的微弧氧化膜所含元素种类相同，同时也表明电解液中参与了成膜反应的各物质的量增多.而随着膜层的进一步生长，450 V 时α、β相表面O、Si元素的摩尔分数均继续增大，而F的摩尔分数均略有减少.图3 微弧氧化膜形成过程中基体α、β相表面元素含量的变化Fig.3 Variation of surface element content on α- and β-phase of micro-arc oxidation coating during its formationα、β 相表面Si、O、F元素随工作电压的变化均表明，与Si、F相比，O出现的工作电压较低且摩尔分数明显较多，说明氧化物最易生成.而F、Si相比较， F出现后其摩尔分数的增加幅度明显大于Si，说明与电解液中的硅酸钠相比，氟化钾中的F离子更易吸附于阳极并与基体中的Mg结合.图4为通过电子探针检测之后得到的微弧氧化膜层表面Mg、Al、F、Si、O等主要元素的分布.从图4a可以看出，工作电压为250 V时，即微弧氧化膜刚完全覆盖整个试样表面时，膜层很薄(如图5a所示)，Si、O元素在膜层表面均匀分布，而Mg、Al、F元素的分布则不均匀，其中Mg、F元素的分布规律基本相同，并且与Al元素的分布规律正好相反.同时，还可以看到，富Al区及贫Mg区的轮廓均与基体中β相的形状十分接近，由此可以推断，膜层中该区域必然对应于原基体的β相，这充分表明基体不同相组成物中Mg、Al元素的差异是造成微弧氧化膜中所含Mg、Al、F元素分布不均的原因.此外，Mg、F元素相同的分布规律则表明电解液中的F易与基体中的Mg结合.而从图4b可以看出，工作电压为450V时，Mg、Al、F元素的分布均存在逐渐均匀化的趋势，特别是从Al元素的分布可以明显地看到这一点，而此时膜层的厚度较工作电压250 V时已明显增大(如图5b所示).这说明在膜层的长大过程中，受击穿过程所产生的大量热量的影响，膜层中分布不均匀的Mg、Al、F等元素逐渐从富集区域向周围扩散，表现出不断均匀化的趋势，从而使得基体不同相组成物对膜层中各元素分布的影响程度逐渐减小. 图4 微弧氧化膜层表面主要元素的分布Fig.4 Key element distribution on surface of MAO coating2.4 微弧氧化膜的截面形貌及膜层物相组成根据不同工作电压下试样表面微观形貌(如图2所示)的分析可知，AZ91D镁合金微弧氧化过程中，当工作电压增大到250 V时，整个试样表面均已生成微弧氧化膜，图5、图6分别是工作电压为250、450 V时微弧氧化膜层的截面形貌及XRD图谱.从图5可以看出，工作电压为250 V时，微弧氧化膜层很薄，仅有几微米，膜层截面中存在少量的孔隙，当电压增大到450 V时，膜层的厚度明显增大，达到20 μm左右，膜层截面中孔隙明显增多.从图6可知，所成微弧氧化膜中主要含有MgO、MgF2、Mg2SiO4、MgAl2O4等物相，且物相组成不随工作电压的升高而变化.微弧氧化过程中，电解液中含F、Si、O等元素的离子，在电场作用及击穿的影响下，不断迁移并与基体中的Mg、Al相结合，使得所形成的微弧氧化膜中含有上述各物相，同时也使得膜层的厚度逐渐增大.图5 微弧氧化膜的截面形貌Fig.5 Cross-sectional morphologies of MAO coating图6 微弧氧化膜的XRD图谱Fig.6 XRD patterns of MAO coating综合上述分析可知，AZ91D镁合金微弧氧化膜生长过程的初期，工作电压较低，表面无击穿微孔的氧化膜首先在β相表面生成，且该氧化膜以氧化物为主.随着工作电压的进一步提高，击穿首先在α相表面发生，使得微弧氧化膜最先在α相表面形成，然后再在β相表面形成.同时，电解液中的各物质逐渐参与成膜反应，α相表面刚形成的微弧氧化膜中以氧化物为主，随后膜层中的元素种类增加，至β相表面也形成微弧氧化膜时，2膜层中所含元素种类相同，主要为Mg、Al、O、Si、F等元素，以MgO、MgF2、Mg2SiO4、MgAl2O4等物相形式存在，且物相组成不随工作电压的继续升高而变化.由此可见，微弧氧化过程中，α、β相组成物主要影响微弧氧化膜的初期成膜过程，而对膜层形成后的长大过程及膜层的最终状态影响较小.3 结论1) AZ91D镁合金微弧氧化膜生长过程中，基体不同的相组成物主要影响微弧氧化膜的初期成膜过程，而对膜层形成后的长大过程及膜层的最终状态影响较小.2) 微弧氧化膜在初期成膜时，表面无击穿微孔的氧化膜先在基体的β相表面生成，且该氧化膜以氧化物为主.但击穿却首先在α相表面局部区域发生，使得有击穿微孔的微弧氧化膜开始形成.随着微弧氧化膜的不断生长，可以发现膜层会逐渐扩展到α相全部区域及β相区域，最后使得整个基体表面均形成微弧氧化膜.3) 所成微弧氧化膜主要含MgO、MgF2、Mg2SiO4、MgAl2O4等物相，且种类基本无变化.基体α、β相上Mg、Al元素摩尔分数的差异，使膜层中的Mg、Al、O元素在膜层表面的分布都不均匀.但随着膜层厚度的增大，此3元素的分布存在逐渐均匀化的趋势，而Si、F元素的分布始终比较均匀.4) 当工作电压达到250 V时，获得了表面元素分布较为均匀的微弧氧化膜层.参考文献：【相关文献】[1] RAPHEAL G,KUMAR S,SCHARNAGL N,et al.Effect of current density on the microstructure and corrosion properties of plasma electrolytic oxidation (PEO) coatingson AM50 Mg alloy produced in an electrolyte containing clay additives [J]. Surface &Coatings Technology,2016,289(1):150-164.[2] 骆瑞雪,慕伟意,雷嘉骏. AZ91D镁合金微弧氧化膜层性能的研究 [J]. 稀有金属材料与工程,2014,43(增刊):319-323.[3] LIU C C,LIANG J,ZHOU J,et al.Characterization of AZ31 magnesium alloy by duplex process combining laser surface melting and plasma electrolytic oxidation [J].Applied Surface Science,2016,382(5):47-55.[4] REHMAN Z U,SHIN S H,HUSSAIN I,et al.Structure and corrosion properties of the two-step PEO coatings formed on AZ91D Mg alloy in K2ZrF6-based electrolyte solution [J].Surface & Coatings Technology,2016,307(7):484-490.[5] 王红美,尹艳丽,杜军,等.磷酸盐浓度对5083铝合金微弧氧化膜组织与耐腐蚀性能的影响 [J].中国表面工程,2016,29(5):109-115.[6] YAO Z,WANG J,HU B,et al.Preparation of a novel yellow ceramic coating on Ti alloys by plasma electrolytic oxidation [J].Surface & Coatings Technology,2016,307(3):1297-1302.[7] YU L,CAO J,CHENG Y.An improvement of the wear and corrosion resistances of AZ31 magnesium alloy by plasma electrolytic oxidation in a silicate-hexametaphosphate electrolyte with the suspension of SiC nanoparticles [J].Surface & Coatings Technology,2015,276(9):266-278.[8] CHEN W W,WANG Z X,SUN L,et al.Research of growth mechanism of ceramic coatings fabricated by micro-arc oxidation on magnesium alloys at high current mode [J].Journal of Magnesium & Alloys,2015,3(3):253-257.[9] 葛延峰,蒋百灵,刘东杰.脉冲电流宽度对镁合金微弧氧化过程的影响 [J].稀有金属材料与工程,2015,44(8):1948-1952.[10] 董海荣,马颖,郭惠霞,等.AZ91D镁合金微弧氧化膜生长方式的多维探讨 [J].中国有色金属学报,2015,25(3):690-696.[11] 杜翠玲,陈静,汤莉,等.正向电压对ZK60镁合金微弧氧化过程及膜层的影响 [J].中国有色金属学报,2014,24(5):1118-1126.[12] 陈显明,罗承萍,刘江文,等.镁合金微弧氧化膜层形成过程探讨 [J].中国表面工程,2006,19(5):14-18.[13] VATAN H N,EBRAHIMI-KAHRIZSANGI R,KASIRI-ASGARANI M.Structural,tribological and electrochemical behavior of SiC nanocomposite oxide coatings fabricated by plasma electrolytic oxidation (PEO) on AZ31 magnesium alloy [J].Journal of Alloys and Compounds,2016,683(5):241-255.[14] SUN M,YEROKHIN A,BYCHKOVA M Y,et al.Self-healing plasma electrolytic oxidation coatings doped with benzotriazole loaded halloysite nanotubes on AM50 magnesium alloy [J].Corrosion Science,2016,111(6):753-769.[15] GNEDENKOV S V,SINEBRYUKHOV S L,MASHTALYAR D V,et al.Protective composite coatings obtained by plasma electrolytic oxidation on magnesium alloy MA8[J].Vacuum,2015,120(2):107-114.[16] EINKHAH F,KANG M L,SANI M A F,et al.Structure and corrosion behavior of oxide layer with Zr compounds on AZ31 Mg alloy processed by two-step plasma electrolytic oxidation [J].Surface & Coatings Technology,2014,238(2):75-79.[17] 崔学军,杨瑞嵩,李明田.纳米Al2O3掺杂AZ31B镁合金表面微弧氧化膜的结构与性能 [J].中国腐蚀与防护学报,2016,36(1):73-78.[18] SOLIMAN H,HAMDY A parative study of micro-arc oxidation treatment for AM,AZ and MZ magnesium alloys [J].Protection of Metals & Physical Chemistry of Surfaces,2015,51(4):620-629.[19] HUSSEIN R O,NORTHWOOD D O,NIE X.The effect of processing parameters and substrate composition on the corrosion resistance of plasma electrolytic oxidation (PEO) coated magnesium alloys [J].Surface & Coatings Technology,2013,237(12):357-368. [20] CAKMAK E,TEKIN K C,MALAYOGLU U,et al.The effect of substrate composition on the electrochemical and mechanical properties of PEO coatings on Mg alloys [J].Surface & Coatings Technology,2010,204(8):1305-1313.。
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基于电参数的AZ91D镁合金微弧氧化膜层厚度分析研究*贾金龙(兰州工业学院材料工程学院,甘肃兰州 730050)摘 要:根据镁合金微弧氧化微区电弧放电机理㊁微弧氧化的三个阶段理论,并根据实验中出现的,保持电压恒定时,在微弧氧化处理初期电流不断下降,后期电流保持稳定或微升这一现象,拟合出负载阻抗随时间变化的三次方程,从而实现了在实验过程中的膜层厚度监测,具有一定的工程应用价值㊂关键词:镁合金;微弧氧化;膜层中图分类号:TG174 文献标志码:A 文章编号:1007-4414(2014)05-0093-03 Analysis and Research on Thickness of Micro-Arc Oxidation Film in AZ91D MagnesiumAlloy Based on the Electrical ParametersJIA Jing-long(Department of Materials Engineering,Lanzhou Institute of Technology,Lanzhou Gansu 730050,China) Abstract:Based on the micro-discharge mechanism of micro-arc oxidation(MAO)of magnesium alloys and the three-stage theory of micro-arc oxidation,and according to the phenomenon occurred in experiments,which is,while a constant voltage is maintained,current keeps declining at the beginning of micro-arc oxidation and be stable or increases slightly at the later mi⁃cro-arc oxidation,a time-varying load impedance cubic equation is fitted out,thus the film thickness monitoring during ex⁃periments could be realized,and it has a certain value in engineering.Key words:magnesium alloy;micro-arc oxidation(MAO);film0 引 言微弧氧化(MAO)是一种表面处理技术,其原理是对置于特定溶液中的铝㊁镁㊁钛等轻金属及其合金加载高电压,使其表面发生电弧放电,在一系列反应的共同作用下生成具有高硬度㊁高结合强度㊁耐磨㊁耐蚀等特点的与基体结合牢固的陶瓷膜层[1-5]㊂微弧氧化技术具有简单环保㊁陶瓷膜层耐蚀耐磨硬度高等优点,是最有前途的表面处理方法之一㊂该技术在航天航空㊁机械和汽车领域有广阔的应用前景㊂目前微弧氧化技术在一汽集团㊁哈尔滨迪思数控㊁成都普斯特㊁富士康等单位得到推广或应用㊂从微弧氧化的研究状况来看,其研究重点主要集中在电解液配方㊁电参数对膜层性能的影响及膜层生长机理等方面,但很少有人在膜层厚度监测方面做过相应研究,实验室曾经尝试用神经网络建模的方式来预测膜层厚度,但由于影响微弧氧化膜层厚度的因素很多,导致神经网络所需的样本量非常大,前期需要大量的工作才能建立一个相对较粗糙的模型,且精度达不到相应的要求㊂在生产应用中,一般都是通过控制微弧氧化时间来控制膜层厚度,这种方法生产出来的膜层厚度相差很大,且不利于控制成本㊂笔者针对AZ91D镁合金在硅酸盐溶液下的微弧氧化实验㊂采用自行研制的带放电回路脉冲电源㊂实验采用频率为667Hz,在处理时间相同时终值电压不同和电压增加速率相同处理时间不同两种情况下实验,通过观察电弧形态来研究微弧氧化膜层厚度的变化规律㊂并从微区机理上来解释镁合金微弧氧化膜层厚度为何能监测㊂1 实验方法实验采用自行研制的脉冲电源,实验平台如图1,由主电路㊁控制电路㊁过程控制单片机系统㊁传感器㊁示波器及计算机在线监控系统构成㊂试验平台还包括电解槽及电解液搅拌㊁温度检测㊁循环冷却等装置㊂图1 微弧氧化实验装置示意图㊃39㊃㊃机械研究与应用㊃2014年第5期(第27卷,总第133期) 应用与实验*收稿日期:2014-10-13作者简介:贾金龙(1983-),男,甘肃渭源人,助教,主要从事弧焊电源㊁微弧氧化工艺等方面的研究㊂ 实验采用AZ91D 商用镁合金,其化学成分见表1,试样尺寸为ϕ30×10mm㊂使用前经1500目砂纸去除自然氧化膜㊁超声清洗去除油污等不利成膜物质㊂电解液采用硅酸盐体系配方,硅酸钠为13g /L,氟化钾为12g /L,氢氧化钠为4g /L,蒸馏水配制㊂控制溶液为弱碱性㊂电源阴极选用不锈钢板㊂实验过程中,电源脉冲频率设定为667Hz,占空比为30%㊂表1 实验采用的AZ 91D 镁合金的化学成分(质量分数/%)AlZnMnSiFeCuNiMg8.5~9.50.5~0.90.17~0.4≤0.05≤0.004≤0.015≤0.001余量微弧氧化后用TT260涂层测厚仪测量陶瓷膜层的厚度;用JSM-6700F 扫描电镜观察膜层微观形貌㊂用Tektronix TDS3034记忆示波器记录负载波形㊂自行设计的软件在线监测各项参数㊂2 膜厚监测原理膜厚的监测是在实验过程中观察到的微弧氧化三阶段和基于此而演绎出的微区放电机理的基础上,通过实验验证的,下面先简要介绍三阶段和四过程,之后在提出基于三阶段四过程理论的膜厚检测理论㊂2.1 微弧氧化处理中的实验现象 实验发现,微弧氧化实验过程中明显有三个阶段:①试样表面充满气泡;②随着电压增加出现微小亮白色弧斑,见图2(a);③电压进一步增加至超过某一上限值时,电弧由亮白变为黄色,数目明显减少,尺寸和持续时间增加,甚至会在试样某些区域形成持续大面积的电弧,见图2(b)㊂图2 微弧氧化及大弧现象2.2 微区放电机理目前,学界普遍认可的机理是电弧放电理论,即认为微弧氧化是由于金属表面氧化膜被击穿而发生的㊂但是实验中所见弧光细密,能量较小,且阳极氧化膜表面疏松,不可能产生击穿氧化膜的现象,只能是在氧化膜的疏松薄弱部位产生电弧㊂该课题组在研究电弧理论并综合实验现象的基础上提出了微区放电机理㊂微弧氧化过程在强电场下进行且实验中可见明显的气泡及电弧,符合电弧理论㊂另外实验证明,微弧氧化前必须有阳极氧化过程,阳极氧化膜不致密,有许多微小的裂纹,并裸露出镁合金表面,在通电溶液中会形成微小导电通道,该通道就是电弧放电区域,见图3(a)㊂因此,微区放电机理认为每个微区在微弧氧化中会经历四个步骤:①该区域附近的水溶液被电解为以氧气为主要成分的气体,这些气体补满阳极氧化膜及其中微小的缝隙;②随着电解持续,析出的气体会逐渐填满微小通道,此时该气泡将承受高电场作用,当电场强度达到气体击穿的临界值时,会引发气体放电,形成电弧;③由于电弧温度极高,将导致微小区域内的镁合金在高温下被氧化,从而形成液态金属氧化物,由于氧化物的体积大于原通道容积,故发生类似火山喷发现象,将氧化物喷至表面;④电弧放电完毕后,过大的温度梯度使液态金属氧化物骤冷收缩,在扫描电镜下呈现火山口形貌,见图3(b)㊂图3 基于微区放电机理建立的模型2.3 膜层检测机理通过大量的实验数据采样,并根据电路仿真软件分析结果后建立的等效电路模型如图4所示㊂从该图可看出它是一阶RC 电路,这与实验中采样波形所表现出的电容性负载完全一致,符合实验规律㊂图4 负载等效电路模型 该模型中R 0为电解液电阻,其值在一次实验中变化不大,R 1为陶瓷膜层电阻,随微弧氧化进行电阻增大,R 2为动态电阻,即在实验充放电过程中产生的电阻变化,总的来说随着膜层厚度增加,该值在不断增大,C 0㊁C 1为电解液㊁电化学反应等形成的电容,在实验中由于溶池形状㊁电极形状㊁相对位置不变,溶液浓度基本保持不变或略为变稀,故电容大小稳定不变或者稍有减少㊂用系统的平均阻抗来表示以上各值的关系更为直观,操作过程为利用计算机在线系统采集一段时间内的电压和电流值,然后利用欧姆定律求其平均阻抗㊂在实验中发现,其它实验条件不变时,在某一电㊃49㊃应用与实验 2014年第5期(第27卷,总第133期)㊃机械研究与应用㊃压下,开始阶段,电流不断下降,呈现电阻效应,大约30min后,在该电压下,电流开始增加,呈现负阻效应,这是电阻效应阶段,电容不变,随着膜层厚度增加,电阻逐渐增加,因而电流不断下降㊂随着微弧氧化推进,进入平衡阶段,此时虽然随着时间推移膜层厚度在缓慢增加,但是膜层开始疏松,从而导致其裸露金属增多,整个试样呈现较多的金属性而陶瓷性变少,膜层厚度增加造成阻值增大与膜层疏松金属裸露导致的阻值减小在一定程度上相当,故电流保持不变,但由于膜层表面孔洞增大使膜层耐蚀性变差㊂此种膜层在工业上也没有应用价值㊂基于以上实验现象和理论分析,可以监测膜层的厚度增加过程,为工业生产奠定一定的基础㊂3 膜层厚度监测实验3.1 电压加载速率对膜层厚度的影响实验频率依然为667Hz,占空比为30%㊂实验过程中,开机后在1min内将电压提高到起弧电压,然后分别按50㊁100㊁150㊁200(V/min)的电压加载速率加载1min,之后保持电压恒定,即在210V㊁260V㊁310V㊁360V电压下处理10min后关机,微弧氧化总时间为12min㊂电压恒定不变期间,观察电弧形态,在210V下,电弧细小致密㊁均匀亮白㊁不断闪烁,实验现象表明此时满足起弧条件的微小区域较多,起弧均匀,膜层厚度一致,表面较为光滑,如图5(a)所示㊂在260V下,电弧数量减少㊁电弧变大,均匀㊁电弧颜色变为桔黄色㊁不断闪烁,实验现象表明此时满足起弧条件的微小区域依然较多,但由于能量较之前增大,可以在更深更大的裂缝处起弧,膜层厚度一致,表面光滑度开始下降,如图5(b);电压为360V时,电弧颜色变为桔红色,数量量减少㊁持续变长㊁电弧更大㊁更不均匀,实验现象表明由于能量增大,可以在大片的区域内起弧,由于起弧区域大,故其电弧燃烧时间长㊁尺寸大,形成的陶瓷膜粗糙度增加,且厚度不均匀,如图5(c)㊂从电弧形态和后续膜层侧后可以看出,电压过小成膜效率低,表面光滑,电压过大虽然提高成膜效率,但也会增加膜层表面粗糙度,降低膜层耐蚀性,只有电压大小适中时才能在成膜效率和膜层性能二者之间找一个平衡点㊂图5 不同终值电压下的电弧形态 电压加载速率与膜层厚度的关系如图6,由图可知,电压加载速率与膜层厚度成正比,这也符合之前电场强度与微区深度理论,电压加载速率在100V/ min以下时电压加载速率与膜层厚度呈现近似线性关系;随着电压加载速率的提高成膜速率逐渐降低直至接近于零㊂这是因为加载速率较低时,电场强度小,随着电场强度的增加,可以起弧的微小区域增加占主导趋势;而当电压加载速率较高时,电场强度增加,能量趋于集中,可以在更大更深的裂缝处起弧从而形成局部烧损,导致膜厚增长变缓,膜层粗糙度增加㊂电压加载速率更大时,能量更加集中,上述不均匀性加剧,导致膜层厚度极不均匀,试样表面烧损严重㊂综合结果表明,电压加载速率为100V/min,即脉冲电压值在250V左右,微弧氧化工艺性能较好㊂图6 电压加载速率与膜层厚度的关系3.2 微弧氧化时间对膜层厚度的影响实验频率667Hz,占空比30%,起弧电压为160 V,电压加载速率为10V/min条件下进行㊂起弧后分别在5㊁10㊁15㊁20㊁25㊁30㊁35min取出试样,测膜层厚度,从而得到在同样加载速率下不同处理时间的膜层厚度,在实验中同时通过计算机在线监测系统记录的电流和电压值计算该段时间内负载的平均阻抗,将处理时间㊁膜层厚度㊁平均阻抗三者作图,如图7㊂图7 平均阻抗㊁膜层厚度㊁处理时间的曲线关系 可看出,在恒电压增量加载模式前期,由于膜层厚度不断增加㊁但膜层性能变化不大,平均负载阻抗随实验进行而逐渐增加,表现为电阻阶段,当处理时间超过30min时,负载阻抗曲线开始平缓,即膜层电(下转第98页)㊃59㊃㊃机械研究与应用㊃2014年第5期(第27卷,总第133期) 应用与实验。