微弧氧化又称为微等离子体氧化工艺或阳极火花沉积工艺,通过在轻合金表面进行微等离子体放电,进行复杂的电化学、等离子化学和热化学过程,原位生长氧化物陶瓷膜层。由于氧化膜层为原位生长的结构,具有有很好的抗热冲击性,很高的耐磨、耐蚀性能,特别适合于对高速运动的零部件表面进行处理。微弧氧化设备较简单,对零件预处理要求较低,采用碱性溶液作为电解液,对环境污染小,处理零件能力强,俄罗斯、乌克兰、美国、英国、日本等国家均十分重视这项技术的研究,中国于近十几年开始微弧氧化技术的研究。本文主要研究工频交流电条件下陶瓷氧化膜的生长机理及陶瓷氧化膜的制备工艺参数。通过铝合金交流电微弧氧化工艺参数的试验研究,根据试验数据,得出铝合金交流电微弧氧化工艺参数的变化规律:微弧氧化陶瓷氧化膜生长过程中电参数变化分为三个时段;第一时段为初始氧化膜击穿放电时段,电流缓慢下降,膜间电压缓慢上升;第二时段为氧化膜发生第二次被击穿时段,电流急速上升,膜间电压急速下降;第三时段为氧化膜稳定生长时段,电流与膜间电压趋于稳定。初始氧化膜的击穿属于固态电介质击穿,试验中计算其击穿场强近似值约为2000KV/cm数量级,说明初始氧化膜的临界击穿电压与氧化膜的电介质性质相关,电解液中电解质的成分和浓度对其几乎没有影响。根据微弧氧化工艺参数试验得出的电参数变化规律,以及对不同时段所生成的陶瓷氧化膜的表面形貌进行微观分析,陶瓷氧化膜的生长过程分为三个阶段:第一阶段为初始氧化膜的形成和击穿放电,初始氧化膜的击穿为固态电介质击穿,其击穿放电导致金属铝氧化,生成直径1-5μm大小的陶瓷氧化物颗粒。第二阶段为颗粒结构陶瓷氧化膜的形成和击穿放电,随着陶瓷氧化物颗粒的增加,逐渐布满试样表面,形成陶瓷氧化膜;由于其是由陶瓷氧化物颗粒形成,膜层为多孔隙结构;电极表面在微弧氧化过程中,气体分子吸附在陶瓷膜孔隙中形成气膜,发生气膜击穿放电现象:气膜击穿放电时,大量电流通过电离气体传递到初始氧化膜,产生的微区高温使金属铝氧化生成氧化铝,氧化铝在高温下熔化,相互熔合,在微弧放电结束后,熔融氧化铝被电解液急速冷却,在冷却过程中,氧化铝发生晶化转变,生成α—Al₂O₃和γ—Al₂O₃相氧化物晶体;第三阶段为陶瓷氧化膜的生长阶段,微弧放电在烧熔区内放电孔中持续进行,使烧熔区不断扩大增厚,同时新的烧熔区也不断出现,最后烧熔区相互联接,熔合,形成整体陶瓷氧化膜层;随着陶瓷膜层的增厚,膜间电压形成的场强逐渐减弱,最后低于气膜的击穿场强,微弧放电现象逐渐停止,此时陶瓷氧化膜停止生长,达到最大膜厚。根据陶瓷氧化膜的生长过程机理,本文对工频交流电微弧氧化工艺参数进行了设计和验证试验,铝合金电极表面电流密度是影响陶瓷氧化膜生长的重要因素:当铝合金电极表面电流密度低于30A/dm²时,铝合金电极表面难以形成大规模气膜击穿放电现象,陶瓷氧化膜不能持续生长;当铝合金电极表面电流密度在30-70A/dm²之间时,铝合金电极表面产生大规模气膜击穿放电现象,陶瓷氧化膜能够持续生长;当铝合金电极表面大于70A/dm²时,由于放电能量过大,对陶瓷氧化膜层产生破坏作用,形成的陶瓷氧化膜层无工程应用价值。通过对工频交流电微弧氧化电参数分析,提高陶瓷氧化膜生长厚度的办法是加大电流密度,但由于工频交流电的频率为50HZ,其单周期放电时间较长,如果采用较大电流密度,容易产生较大热量,对所生成的陶瓷氧化膜产生破坏。通过适当调整工频交流电微弧氧化工艺参数,可以获得膜层厚度达到100μm以上,显微硬度1500HV以上,膜层质量较好的陶瓷氧化膜层,具有工程实际应用价值,可以在对膜层厚度要求低于100μm以下的铝合金表面处理进行工程应用。