学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

镁合金微弧氧化微区电弧放电机理及电源特性的研究

作　者: 陈明
导　师: 郝远
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 镁合金微弧氧化微弧放电机理电源要求负载特性膜层形貌耐蚀性大功率脉冲电源单片机系统过程控制
分类号: TG174.4
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 274次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着镁合金越来越多的应用,提高其表面性能的要求日益迫切,作为一种极具潜力的表面处理方法,微弧氧化工艺被广泛关注。然而,由于其涉及材料学、电化学、电弧物理、电力电子和控制系统等多个学科和技术领域,是一个受多种因素影响的高度复杂的工艺过程,因此,许多问题至今并未给出明确结论。本文以提高镁合金的耐蚀性为主要目的,以微弧氧化过程的微弧放电现象、电信号波形及氧化膜层形貌为研究对象,采用理论分析加实验验证的方法,深入研究过程状态、膜层特点与电信号特征的相关性。在此基础上,提出微区电弧放电机理和模型及其对电源的要求,并通过负载特性研究提出负载适应性要求;然后构造新型脉冲电源输出模式,并展开电源模式和参数的比较研究;最终完成面向工业应用的大功率微弧氧化电源的研制。论文工作主要包括以下内容:参考现存的电源形式,结合镁合金微弧氧化工艺特点,设计并建立了具有多种电源脉冲波形输出方式的实验研究平台。以单片机为核心开发控制系统,实现了电源的输出波形、伏安特性的调节,并通过记忆示波器和计算机,进行负载波形的观测和数据采集。研究了各种电源输出方式下,微弧氧化实验中的放电现象与负载电压、电流波形的相关性。认为所有的微弧氧化过程,随电源电压增加均可划分为3个阶段:阳极氧化、微弧氧化和大弧放电。前者必须经历而且一直伴随各个阶段;后者为过程的失效状态,要尽量避免。为此定义了起弧电压Ua和大弧电压UL,用来界定微弧氧化状态,并作为稳定性的定量评价指标。Ua越低、UL越高则过程越稳定。研究发现,在现存电源模式中双极性脉冲电压输出方式的稳定性最高。根据相关性研究结果,基于电弧理论提出了微弧氧化微区电弧放电机理和模型,将一次独立的微弧放电划分为4个过程:电解、放电、氧化和冷却。电解过程进行水的电解和阳极氧化反应,依附于阳极表面的导电通道,产生以氧气为主的混合气体;当气体封闭通道,承受电源电压而电离,则发生电弧放电;放电形成的局部高温将引起金属的剧烈氧化,氧化反应产生的热量进一步提高局部温度,使放电愈加剧烈,这种自我强化作用使放电和氧化瞬间完成,形成“雪崩”效应,局部高温将导致氧化物熔融并喷出通道;当气体被氧化反应消耗殆尽时,放电和氧化过程戛然而止,巨大的温差使熔融物急剧冷却收缩,金属基体具有更高的导热率,故留下向内的收缩孔。一次微弧放电将导致一个微区热循环过程,其升温快速而集中,随电弧熄灭迅速转入冷却过程。微弧氧化的膜层特点和大弧现象,都无不与微区热循环密切相关。基于微区电弧放电和热循环机理推断,起弧电压随电解液离子浓度升高、温度升高而降低,随膜层厚度的增加而升高;大弧倾向随电解液温度升高、电源电压升高而增加,随脉冲占空比的减小而降低。这些推断均被实验验证。基于微区电弧放电和热循环机理,结合负载电压波形定义了燃弧时间t_a和冷却时间t_c,认为大弧现象是由tc不足造成。据此提出了微弧氧化电源的基本要求,并给出一种理想的电压波形。对双极性脉冲电源中负电压作用的研究发现,其抑制大弧放电倾向的能力,缘于电源电路中斩波器通断时序所带来的负载电容旁路效应,而与负电压大小无关。理论分析和实验结果均未找出负电压存在的理由,故双极性电源中负脉冲的唯一效用,就是抑制大弧倾向,使其部分满足了微弧氧化电源的要求。微弧氧化的膜层是金属氧化物堆积形成,由一系列离散的微区电弧放电引发。瞬间完成的微小区域内的电弧放电所产生的光热辐射,加之由其导致的剧烈的金属氧化反应所释放的热量,致使放电区域瞬时形成局部高温,使生成的氧化物熔融、经历骤热骤冷,并伴随重熔和快速凝固,从而获得具有非平衡组织结构的金属氧化物膜层。随时间延长和电压增加,微弧氧化膜层生长可分为早、中、后3个时期。早期存在大量的浅层导电通道,故放电弧斑小而多,膜层表面平整致密、收缩孔均匀细小,但成膜速率较低;中期,浅层通道逐渐封闭,放电弧斑逐渐增大且变稀疏,膜层均匀性和致密度下降、粗糙度增加,小孔尺寸变大数量减少,此时成膜速率为最高;后期将以深层导电通道放电为主,弧斑更大更少,膜层表面不均匀、粗糙且疏松,并可能伴生突起的熔融物和由应力集中导致的微裂纹,成膜速率也将下降。热力学分析表明,微弧氧化使镁合金表面的自由能降低,整体上属于放热反应。电源消耗的电能和反应产生的热量,最终都将转化为电解液的温度上升。动力学分析认为,电源电压是微弧氧化的工作条件,电流是其状态和程度的反映。膜层生长速度在一定范围内随电压和电流单调增长,但不能用一个简单的动力学模型准确描述。微弧氧化的负载特性呈现极强的电容性,可用3个电阻和2个电容构成的电路模型来等效,进一步可简化为2个电阻和1个电容的一阶RC系统。用负载电压和电流波形数据进行仿真模拟分析,结果印证了这一结论。强电容性使负载电压波形不易满足微弧氧化的基本要求,同时会造成电源系统的电流冲击,故必须解决这两方面的电源适应性问题。前者可通过增加强制放电回路,促使负载电压快速泄放来实现;后者则应在电源电路设计时,考虑对其限制或采取相应吸收保护措施。基于对负载电压波形的要求和负载电容性的特点,设计了一种新的微弧氧化电源模式,即带放电回路的脉冲电源,并在实验平台上加以实现。通过构造放电回路,新型电源支持自然放电、不完全放电和完全放电3种工作方式,后者的燃弧时间和冷却时间可通过斩波器时序精确控制,有效解决了大弧放电问题。比较研究的结果证明,带放电回路的电源比双极性脉冲电源,更适合镁合金微弧氧化化工艺。主要表现在:过程稳定性好,参数可控性优,放电弧斑均匀;其成膜效率、膜层表面质量和耐蚀性,大部分情况下均优于双极性电源。电源加载方式和参数对微弧氧化过程影响显著。可选择电压增量和恒定电流两种方式加载,起弧电压之上,当电压增量取5V/min～15V/min,或恒定电流为4A/dm~2～12A/dm~2时,过程的综合性能最好;取值过大会使膜层质量变差,过小则成膜效率变低。脉冲频率和占空比的合理取值范围分别为500Hz～800Hz和20%～30%。面向工业生产设计了新型大功率微弧氧化脉冲电源主电路,通过IGBT并联和吸收、保护等措施,解决了输出电流的冲击问题,使功率电子器件可靠运行。以16位高性能单片机80C196KB为核心,研制了电源控制系统硬件电路,并以输出脉冲波形和伏安特性控制为技术关键,完成了控制算法和系统软件的开发。用单片机AT89C52为核心研制了微弧氧化过程控制系统,设计了人性化的人机界面,使设备的易用性、适应性和操作性能得以提升。配合所设计的通讯协议,两个单片机系统之间经由串行异步通讯交换数据,还可通过RS-232C通讯接口与上位机联接,为今后实现微弧氧化加工中心提供支持。研制的设备经测试达到了预期技术目标,并初步通过了应用考核。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-15
插图索引  15-18
插表索引  18-19
第1章绪论  19-36
  1.1 问题的提出  19-22
    1.1.1 镁合金的耐蚀性问题  19-20
    1.1.2 提高镁合金耐蚀性的方法  20-22
    1.1.3 微弧氧化技术的特点  22
  1.2 微弧氧化技术的研究现状  22-32
    1.2.1 国外微弧氧化工艺研究现状  22-24
    1.2.2 国内微弧氧化技术研究现状  24-26
    1.2.3 有关微弧氧化机理的研究  26-28
    1.2.4 有关微弧氧化负载特性的研究  28-29
    1.2.5 微弧氧化电源的研究发展概况  29-32
  1.3 研究内容及技术路线  32-36
    1.3.1 研究内容及目标  32-34
    1.3.2 研究的技术路线  34-36
第2章微弧氧化实验平台构建  36-44
  2.1 微弧氧化实验平台构建  36-41
    2.1.1 实验平台构成  36-38
    2.1.2 控制系统概述  38-41
  2.2 实验材料及方法  41-43
    2.2.1 实验材料及试样制备方法  41-42
    2.2.2 主要分析及检测方法  42-43
  2.3 本章小结  43-44
第3章微区电弧放电机理及模型研究  44-73
  3.1 微弧氧化过程的3 个阶段  44-50
    3.1.1 直流电源下的微弧氧化  44-46
    3.1.2 单极性脉冲电源下的实验  46-48
    3.1.3 双极性脉冲电源下的实验  48-50
  3.2 微区电弧放电机理及模型  50-55
    3.2.1 气体放电理论  50-52
    3.2.2 微区电弧放电机理和模型  52-55
  3.3 基于放电模型的重要推论与验证  55-60
    3.3.1 起弧电压的本质及影响因素  55-57
    3.3.2 大弧产生的原因和影响因素  57-59
    3.3.3 微弧氧化电源的基本要求  59-60
  3.4 双极性电源负电压的作用和影响  60-63
    3.4.1 负电压的作用  60-62
    3.4.2 负电压的影响  62-63
  3.5 镁合金微弧氧化成膜过程分析  63-71
    3.5.1 膜层生长过程与机理  63-65
    3.5.2 不同生长时期膜层的表面形貌  65-69
    3.5.3 热力学和动力学分析  69-71
  3.6 本章小结  71-73
第4章负载特性及新型电源模式研究  73-85
  4.1 微弧氧化的负载特性  73-81
    4.1.1 微弧氧化负载等效电路模型  73-76
    4.1.2 负载模型的仿真模拟  76-80
    4.1.3 负载阻抗随处理时间的变化规律  80-81
  4.2 一种新的微弧氧化电源模式  81-83
    4.2.1 微弧氧化电源负载适应性要求  81-82
    4.2.2 带放电回路的脉冲电源模式  82-83
  4.3 本章小结  83-85
第5章电源模式及参数对微弧氧化的影响  85-98
  5.1 两种电源模式的比较研究  85-92
    5.1.1 过程稳定性比较  85-86
    5.1.2 成膜速率比较  86-88
    5.1.3 膜层组织结构及形貌比较  88-90
    5.1.4 膜层耐蚀性比较  90-92
  5.2 电源加载方式及参数的影响  92-97
    5.2.1 电压增量加载  92-95
    5.2.2 恒定电流加载  95-96
    5.2.3 过程控制方案  96-97
    5.2.4 参数的合理取值范围  97
  5.3 本章小结  97-98
第6章新型大功率微弧氧化脉冲电源研制  98-125
  6.1 脉冲电源主电路设计  98-102
    6.1.1 电源主电路及主要技术指标  98-99
    6.1.2 IGBT 的并联、均流及保护  99-101
    6.1.3 保护电路及抗干扰措施  101-102
  6.2 电源控制系统电路设计  102-112
    6.2.1 单片机系统电路  102-104
    6.2.2 信号采样电路  104-105
    6.2.3 同步数字移相电路  105-108
    6.2.4 SCR 触发电路  108-109
    6.2.5 IGBT 驱动电路  109-112
  6.3 电源控制系统软件  112-114
    6.3.1 输出脉冲波形调制  112-113
    6.3.2 输出特性的PID 调节算法  113-114
  6.4 过程控制系统及人机界面  114-123
    6.4.1 单片机系统电路  114-118
    6.4.2 串行接口及通讯协议  118-119
    6.4.3 微弧氧化过程控制软件  119-122
    6.4.4 电源设备的试运行  122-123
  6.5 本章小结  123-125
结论  125-128
创新之处和尚需深入研究之处  128-129
参考文献  129-137
致谢  137-138
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  138

镁合金微弧氧化微区电弧放电机理及电源特性的研究

内容摘要

全文目录

相似论文