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电弧喷涂铝感应重熔后等离子体电解氧化实验结果

发布时间:2014-04-28 10:53 新闻来源:正航仪器 浏览次数:
 
 
 
 
 
 
由于等离子体电解氧化陶瓷膜的硬度高,可加工性差,因此研究被处理部件表面陶瓷膜在等离子体电解氧化过程中的几何尺寸变化规律,以及尺寸随工艺参数的变化情况对于处理之前的半成品加工以及处理后成品件的尺寸精度保证具有实际意义。
在处理液、基体材料和电源波形固定的情况下,影响陶瓷膜尺寸变化的主要工艺参数就是处理时间和电流密度。尝试性实验发现,当电流密度过大时,等离子体电解氧化反应非常强烈,伴随着强烈的爆鸣声,在时间很短的情况下试样表面出现黑色物质,这是由于放电瞬间能量过大而使陶瓷层产生过烧,我们将电流密度定为30 A/dm2;如果电流密度过小,则增大了反应的时间,降低了处理效率,而且容易使铝基体升温过高而影响反应,所以,选定最小电流密度为5 A/dm2。当试样表面产生红色固定的大火花或有较大爆鸣声时,对陶瓷层有很大破坏作用,因此,处理时间确定在试样表面产生红色固定的大火花和较大爆鸣声之前。下面分别讨论处理时间和电流密度对陶瓷膜总厚度和向内向外生长厚度的影响。
一、电流密度对陶瓷层厚度的影响
实验中我们分别测定了5 min、10 min、28 min三种固定时间条件下等离子体电解氧化陶瓷层厚度随着电流密度的变化情况。由图4-20可以看出,当处理时间较短时(5 min、10 min),等离子体电解氧化陶瓷层的厚度随着电流密度的增加而增加;而处理时间相对较长时(28 min),等离子体电解氧化陶瓷层的厚度先达到一个极值,然后随着电流密度的增加而呈现减小的趋势。即在大电流密度和长时间的作用下,等离子体电解氧化陶瓷层的厚度反而减小。
我们认为,这是因为长时间使用较大电流密度对试样进行等离子体电解氧化时,强烈的能量输入使试样表面的反应过于激烈。实验时可以看到试样表面产生固定的红色大火花并有爆鸣声,对陶瓷层产生了减薄破坏作用。
 
电弧喷涂铝感应重熔

电弧喷涂铝感应重熔等离子体电解氧化实验
 
 
 


 
 
二、处理时间对陶瓷层厚度的影响
图4-21显示了在实验所选择的各种电流密度条件下等离子体电解氧化陶瓷层厚度随着处理时间的变化情况。可以看出,在所采用的各种电流密度下,等离子体电解氧化陶瓷层厚度随着处理时间的变化趋势是一样的,即陶瓷层厚度先随着处理时间的增长达到一值,然后陶瓷层厚度具有减小的趋势。不同电流密度条件下达到极值点所需的时间不同,厚度极值点也有所差异。图4-21还显示出,随着电流密度的增加,厚度达到极值点所需的时间在减小。本实验厚度的陶瓷层是在电流密度为15 A/dm2、处理时间为28 min的条件下获得的。
三、陶瓷层的形貌分析
图4-22所示为复合膜层的截面形貌,其中图4-22(b)为图4-22(a)中陶瓷层与铝基体结合部位的局部放大。可以看出陶瓷层较为致密,具有明显的内外两层结构,膜层与基体之间没有清晰的分界线,结合很好,界面上不存在大的孔洞。图4-22(b)中,A为内部紧贴基体的致密层,组织致密,与基体之间结合紧密,没有贯穿性的孔洞存在;C为陶瓷层外侧的较为疏松的组织,在最靠近最外侧的地方还存在一些类似粉体的局部区域;B为外部疏松层向内部致密层过渡的部分。等离子体电解氧化过程中,试样表面的状态发生了很大的变化。图4-23为处理时间为45 s,试样表面还没有产生火花前等离子体电解氧化陶瓷层表面形貌,图4-23(b)为图4-23(a)的局部放大。由于处理时间较短(45 s),试样表面被砂纸打磨过的划痕还比较清晰。在高倍数条件下观察,如图我们可以看到试样表面出现了一些平均直径不到1μm的小孔洞,在孔洞周围有突起的“山坡”状物质出现,如4-23(b)所示。可见,没有产生火花之前,试样表面已经出现反应产物。
图4-24是等离子体电解氧化过程中不同时间陶瓷层的表面形貌,其中右侧为左侧的局部放大像,处理时间分别为:(a)10 min,(b)15 min,(c)20 min,(d)25 min,(e)35min。各图中试样表面所遍布的黑色圆点即为放电通道。从图4-28各图中可以清晰的看到圆形放电通道“火山口”周围有熔融物冷却堆积所形成的“山坡”痕迹。我们使用放大倍数为1000×的SEM图像来分析放电孔孔径的尺寸变化,将具有代表性的特征区域放大后,取5个大小均匀的特征孔径进行测量,可以看出,放电孔孔径的大小随着处理时间的增加而逐渐变大,单位面积上放电孔的个数逐渐减少。
四、陶瓷层的成分分析(EDS)
对等离子体电解氧化陶瓷层进行了EDS线扫描,发现陶瓷层主要含Al、Si、O、P四种元素,左侧截面形貌中所标的黑色线条为扫描轨迹。Al、Si、O、P四种元素的分布如图4-25所示。可以看出,O元素含量在陶瓷层不同深度的差别不大;Al元素扫描线明显的出现台阶,较高处对应基体喷涂铝层,等离子体电解氧化陶瓷层中铝的含量变化不大;Si元素和P元素的含量由内向外逐渐升高,尤其是外部疏松层中出现较高的Si含量。这说明处理液成分的一部分进入到了膜层的疏松层当中,参与了膜层生成。对膜层外部和内部及其过渡区域进行的EDS点分析结果如图4-26所示,分别对应图25中的A、B、C三点。比较各图中的特征峰强度发现,由基体至外部膜层,O元素含量差别不大,均为28。62 at%左右;Al元素的含量出现明显的变化,可以推测部分基体Al溶解进入处理液当中,这表明陶瓷层的生长的同时还有基体溶解的过
 
等离子体电解氧化实验

 
程;Si元素则与Al元素相反,在C点处达到了58。63 at%,这与上面的成分线分析完全一致。膜层内外层中P元素含量都较低,这反映了溶液当中离子参与等离子体电解氧化物理化学反应的程度并不相同。同时,由于溶液离子可以通过反应渗入膜层当中,预示着我们可以通过改变处理溶液的成分、浓度等参数来调整陶瓷层的相组成,生长出掺有所需元素的氧化膜,使膜具有较强的适应性。
五、陶瓷层的相组成分析
为了解等离子体电解氧化过程中陶瓷层的相组成变化情况,我们对各个处理时间的等离子体电解氧化试样进行了相分析,时间分别为:(a)45 s,(b)10 min,(c)15 min,(d)20 min,(e)25 min,(f)35 min,相分析结果如图4-27所示。
可见,产生火花之前,膜层主要由Al2O3的含水化合物组成,这层膜很薄,因此显现出很强的基体铝的衍射峰;随着处理时间的延长,陶瓷层的主要成分由各种晶形的Al2O3组成,包括α-Al2O3、γ-Al2O3、θ-Al2O3和非晶态Al2O3。根据前面所做的等离子体电解氧化陶瓷层的截面形貌可以看出,等离子体电解氧化陶瓷层由紧贴基体的致密层和外部的疏松层组成,为了对比陶瓷层内层和外层的组成差别,我们选择较厚的陶瓷层,用水砂纸打磨去表面的疏松层,对剩余的陶瓷层进行了相分析,并与表面疏松层的衍射分析结果相比较,结果如图4-28所示。

电弧喷涂铝感应

等离子体电解氧化实验

等离子体电解氧化实验探析
 
 
 

 
 
 

 
可以看出,微弧氧化陶瓷层致密层与疏松层的相组成相对来说变化不是特别显著,主要存在两个方面的差异:致密层中的α-Al2O3相比疏松层的α-Al2O3相有所增多;致密层中的非晶态Al2O3相比疏松层的非晶态Al2O3相减少。 
 
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