AZ91D镁合金微弧氧化过程中熄弧的初步探讨

陈祥凤

(临沂科技职业学院 智能制造学系，山东 临沂 276000)

镁合金的比重比铝合金还小，但是它的能量衰减系数大，而且具有优秀的电磁屏蔽等优点，作为2l世纪理想的电子产品外壳材料而广为人知。然而，镁合金的耐腐蚀性能不佳，在使用过程中应进行表面处理。以往的化学处理和阳极氧化膜层的厚度、耐腐蚀性能都存在一定的局限性[1]。微弧氧化技术是近年来在国内外新兴的镁合金的表面处理技术，其原理是根据脉冲电参数和电解液的匹配在阳极表面产生微电弧放电现象，在金属表面原位生长陶瓷层[2-4]。

电弧的持续燃烧是维持微弧氧化中的膜层生长所必需的条件[5]。这是陶瓷层生长的必要条件，但持续的电弧会给工件带来破坏。例如，白斑、孔等，直至工件废弃。因此，应在工艺过程中进行强制熄灭电弧。目前，在镁合金微弧氧化领域关于电弧控制的资料比较少[6]，所以本文将从电弧形态、熄弧机制、强制熄弧下膜层的性能等方面进行初步探讨。

1 试验材料与方法

本试验选取AZ91D铸造镁合金作为试验材料，其化学成分(质量分数)如下：Al为8.1%～9.3%，Zn为0.4%～1.0%[7]，其余为Mg。使用220 kW程序控制微弧氧化双极脉冲电源进行微弧氧化处理，样品为阳极，不锈钢电解槽为阴极。样品表面用120、600、1 000目水性砂纸依次打磨，擦拭清洗后，在电解槽中进行膜层生长[8]。电解液是以去离子水制成的硅酸钠为主要溶液的硅酸盐、氢氧化钠、氟化钾溶液。处理过程中用循环水冷却，使电解液的温度保持在25～35 ℃。使用TT260层叠数字涡流测量器测量陶瓷膜层的厚度；2206型表面粗糙度计测量陶瓷膜层的表面粗糙度；使用JSM2500LV型扫描电子显微镜观察膜层的微观形态；UNI-T3120C收集试验中的电压电流波形[9]。

2 结果与讨论

2.1 强制熄弧与自然熄弧现象

自然熄灭电弧和强制熄灭电弧状态下电火花有明显的区别(见图1)，主要表现在如下几个方面。

1)尺寸：自然熄弧是比通常的起弧大得多的微小电弧，而且先从小点开始，然后迅速成长，变得越来越严重。

2)颜色：自然熄弧为黄色，强制熄弧为微小白色弧。

3)温度：自然电弧产生局部消融现象，大电弧温度远低于通常的起弧的微电弧温度，后者温度达到8 000 K以上，前者低于8 000 K，该温度不足以形成致密的氧化镁陶瓷膜，但温度比镁合金的燃烧点高，快速烧蚀镁合金试样，造成试件损坏。

4)形状：强制熄弧宏观上显示出规则的形状，主要表现出能量最小方向的发展，而微上端显示出不规则的锯齿状。

5)发展方向：自然电弧除了向周围发展外，还向纵深方向发展，造成大面积、纵深方向的烧蚀、脱落。

6)产物：局部烧蚀后形成主要被疏散的氢氧化镁和氧化镁的混合物，该混合物与镁合金矩阵没有结合力，颗粒脱落，颜色为灰色。

图2所示为自然熄弧和强制熄弧的状态下，用微弧氧化处理10 min的工件的表面图像。自然熄弧状态下保持10 min，工作表面有明显的烧蚀孔，表面有烧蚀后的残渣残留，一碰就会脱落，工件处于废弃状态。强制熄弧状态下的工件表面光滑、细腻，致密的陶瓷膜与镁合金基体紧密结合。

2.2 强制熄弧状态下机理的初步探讨

2.2.1 物理模型分析

微弧氧化初期的电压较低，在镁合金基板上形成阳极氧化膜，这个阶段为阳极氧化阶段。这是发生微电弧放电所必需的条件。在这个过程中电解水，AZ91D基板上产生大量气体，如果电压上升，气体就会被破坏，形成电弧。

如果产生电弧，其消失有2种方法：一种是气泡内的气体完全燃烧，电弧自动熄灭，这种方式被称为自然熄灭电弧；另一种是气泡内的气体没有完全燃烧，这时维持电弧燃烧的电压消失，电弧消失。

自然熄灭电弧和强制熄灭电弧的控制由脉冲输出电路的拓扑结构决定。只有正脉冲作用于工作台时，正脉冲消失，电路中的电流在下一脉冲来之前来不及放电，直到气体完全燃烧为止都会持续电离。这个状态是自然消光电弧。加上下面的负脉冲交叉到工作台上，负脉冲在正脉冲消失后作用于工作台，由正脉冲形成的电流构成放电电路，瞬间电流下降到零，维持煤气燃烧的电压变为零，不放电。

2.2.2 波形分析

使用UNI-T3102C示波器，在自己设计的信号收集分离电路上采集电源输出电压、电流脉冲波形。一个测试器对电压传感器的负载进行电压波形的测量(见图3和图4中的a部分)，另一个测试器与通过对霍尔电流传感器施加负荷而测量的电流波形一致(见图3和图4中的b部分)。注：图3和图4中的a部分是电压波形，b部分是电流波形。

图3中，在自然熄灭电弧的状态下，正脉冲消失后，电压、电流缓慢下降，无法切断气体的持续燃烧。图4中，在强制熄灭电弧状态下，正脉冲消失后，加上负脉冲，构成工作台和放电电路，电流通信速度下降为零，切断气体燃烧，能够有效阻止测试块的破坏。

2.3 强制熄灭电弧与自然熄灭电弧膜层厚度的比较

图5所示为氧化膜层示意图，可以看出氧化前后样品外形尺寸的变化。图5中的虚线表示样品反应前的原始表面位置，h是氧化膜的总厚度。在微电弧氧化过程中，由于微电弧的放电作用，在表面形成放电通道，使等离子体产生，引起等离子体化学、电化学、热化学等一系列反应，基体被氧化。

在2种熄灭电弧状态下膜层厚度随反应时间而变化的曲线如图6所示，在第一期间阶段(约20 min)，自然熄弧状态下氧化膜的厚度大于强制熄弧状态下氧化膜的厚度，但没有非常明显的区别。25 min后，强制熄弧的膜厚比自然熄弧的膜厚稍大，倾向于几乎一致。结果表明：2种熄灭电弧的方法对镁合金的微弧氧化膜层的厚度影响不大。这是因为作用于单位时间的工作的有效脉冲的数量相同，并且用于增加膜层厚度的能量也相同。

3 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)自然熄弧和强制熄弧状态下电弧的形态有明显的区别，发展方向表现为自然熄灭弧主要向周围发展，强制熄灭弧主要向纵深发展。

2)2种熄弧方式对膜层厚度影响不大。

3)自然熄灭电弧获得的陶瓷膜粗糙，表面有白色斑点、孔，有时会导致工件报废。而强制熄弧状态下形成的膜层表面相对光滑，陶瓷膜与基板紧密结合，性能良好。