镁合金微弧氧化陶瓷层形成与生长的电量消耗机制及降耗理论研究

针对因当前电量消耗水平过高而制约镁合金微弧氧化处理技术推广应用的关键问题，提出以诱使样品表面产生微弧所耗电量Q1和陶瓷层生长增厚所耗电量Q2作为微弧氧化陶瓷层形成与生长过程中电量消耗的表征参量，研究样品表面高阻抗障碍层的物质属性、微观结构与诱使微弧产生所需脉冲临界功率(IpUi)c的相关性机理；探讨通过增大障碍层阻抗对通电时间的微分值（dR3/dti）以减少通电至微弧产生的脉冲总数n进而减小Q1的技术原理；分析可满足陶瓷层生长增厚的脉冲临界功率（IpUi)c及与之对应的单脉冲所载电量(IpUiTc)随陶瓷层厚度的变化规律；建立陶瓷层形成和生长的最小电量消耗与电参量输出模式之间的数学模型及与之配套的电解液选配原则。本项目的完成将为低能耗微弧氧化电源的主电路设计、处理过程中电参量的输出模式制定及电解液的选配提供系统的理论支撑，其研究结论也可扩展至铝、钛等其它可进行微弧氧化处理的轻合金领域。

本项目依据等通量变换原理研制出峰值电流输出控制微弧氧化电源，提出以诱使镁合金表面产生微弧所耗电量Q1和陶瓷层生长增厚所耗电量Q2作为微弧氧化陶瓷层形成与生长过程中电量消耗的表征参量，系统研究电解液体系中阴离子对镁合金微弧氧化过程的作用和能量消耗，深入分析并揭示样品表面微弧产生以及陶瓷层增厚过程中的能量消耗机制。结果显示，镁合金表面形成阻值达104数量级的高阻抗膜是发生微弧放电现象的必要条件。在Na2SiO3-KOH-MgF电解液体系，随着Na2SiO3浓度增加，Q1升高但Q2降低，陶瓷层生长速率加快；KOH浓度增加显著降低微弧等离子体诱发电压，缩短微弧等离子体诱发时间，Q1降低而Q2升高；KF显著加快氧化膜的生长速率，Q1和Q2明显降低。起弧阶段，增大脉宽和增加脉数均可有效缩短镁合金微弧氧化的起弧时间，能量消耗降低，起弧单脉冲功率最低为4.0KW，起弧能耗为2.4KJ；生长阶段，增大脉宽和增加脉数均可使陶瓷层生长速率增大，陶瓷层表面微孔孔径增大，生长单位厚度的陶瓷层所消耗的能量增多。在等电通量条件下，随着脉数增大和峰值电流密度减小，陶瓷层生长速度减慢，导致总能耗和单位能耗均显著降低；通过增大脉宽从而减小峰值电流密度的方式，陶瓷层生长速度增大，总能耗和单位能耗均表现出下降趋势。研究结果为低能耗微弧氧化电源的主电路设计、处理过程中电参量的输出模式制定及电解液的选配提供系统的理论支撑，其研究结论也可扩展至铝、钛等其它可进行微弧氧化处理的轻合金领域。