核心提示：微弧氧化 (MAO)是一种在有色金属表面原位生长陶瓷膜的表面处理技术[1]，其基本原理是使工作电压突破传统的阳极氧化的工作电压范围（法拉第区），进入高电压放电区，在电极上发生微弧等离子放电，在基本材料（电极）上原位生成氧化膜。经研究发现，该氧化膜具有耐磨、耐
微弧氧化 (MAO)是一种在有色金属表面原位生长陶瓷膜的表面处理技术[1]，其基本原理是使工作电压突破传统的阳极氧化的工作电压范围（法拉第区），进入高电压放电区，在电极上发生微弧等离子放电，在基本材料（电极）上原位生成氧化膜。经研究发现，该氧化膜具有耐磨、耐腐蚀、耐热和绝缘性强的特点，具有广泛的应用前景。目前，美国、德国和俄罗斯的一些大学和科研机构在此项技术上走在世界的前列，我国从20世纪90 年代开始关注此项技术，在引进吸收国外技术的基础上，现在也开始以耐磨、装饰性涂层等形式走向实用阶段，但目前仍处于起步阶段，以实验研究为主。由于微弧氧化过程是一个包括化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化等共同存在的一个过程，其过程十分复杂，因此，了解其工艺工程对于掌握和运用微弧氧化具有十分重要的现实意义。
研究表明决定陶瓷层生成质量和速度的重要因素之一是施加在金属表面的电场特性，利用双端不对称的脉冲调制电源进行微弧氧化比用直流电和正弦交流电有明显的优越性，其膜层生长速度快且膜层质量好。调制电源工作时，利用峰值较大的正脉冲对工件进行微弧氧化，利用峰值较小的负脉冲对工件表面疏松的氧化膜进行去除，使表面变得更光滑、更致密，从而得到较好的膜层质量。本文主要研究微弧氧化的工艺以及针对其工艺要求所进行的电源设计。
1 微弧氧化过程工艺分析
1.1 试验材料及方法
选定面积分别为5 dm2、0.6 m2、1.2 m2、1.8 m2、2.4m2的五种面积不等的镁合金试样首先在碱溶液中浸泡，去除表面机械油污，再对由于暴露在空气中所形成的氧化皮进行去氧化皮处理，以获得活性点均匀的洁净面，这样可使微弧氧化放电均一，能量分配均匀，最后用清水洗净，风干后等待微弧氧化处理。试验装置采用实验室自制的电源进行模拟，电源设置成开环状态，即不对电源的电压或电流做PI（比例积分）控制。电解液成分为：26g/L Na2SiO3，32g/L C3H8O3，4g/L NaOH，24g/LKF。将不同面积的镁合金分别放置于电解槽中进行微弧氧化，缓慢升高电压，观察试验现象。
1.2 微弧氧化过程工艺分析
由于试样面积不同，在微弧氧化过程中表现出不同的现象。5dm2的镁合金试样的微弧密集度最大，而2.4m2的镁合金试样的微弧密集度则最小。另外，在微弧氧化过程中，由于电源负载不同造成的电压平稳度也不尽相同：相对较小面积的试样在逐步升压过程中，电压一直保持平稳状态；较大面积的试样则会在某一阶段发生电压突变，这一现象会对电源造成严重的损坏，需要尽力避免。其试验具体数据如表1 所列。
不论是大面积试样还是小面积试验，在试验过程中都具有一个较为普遍的现象：在开始加载电压时，即使电压很低，通过试样的电流却相对很大，随着时间的延长，电流慢慢降低，电压逐渐升高，最后达到一个稳定的状态。其原因是试样和溶液相对电源来看构成一个可变负载，它会随着试样表面氧化膜的厚度和外加电压的变化而发生改变。在开始加载电压时，由于试样表面的氧化膜很薄或基本没有，溶液的电导率却很大[2]，这样两者构成这个可变负载，这是电流产生突变的一个主要原因，表现在电源上就是输出电流急剧变大，电压急剧下降。当试样面积较小时，在电压逐步升高时，其加在试样上的电流密度增加很快，但总的电流增加量却不大，所以电流不会有较大的突变，基本上不会因为过流而对电源造成损坏。当试样面积很大时，电流密度的增加直接导致了电流的急剧增加，对电源的影响就表现在电流的突变上，同时电压会有一个明显的下降。急剧突变的冲击电流对于电源的某些器件会造成无可挽回的损坏，特别是对于晶闸管和IGBT这些器件，很容易因电流过大导致过热和过流烧毁。同时由于大面积试样结构的复杂性以及表面机械加工程度的不同，所引起表面的粗糙程度的差异在微弧氧化过程中，容易引起电流密度在各个部位的分布不均匀，从而导致电流和电压的突变，对电源的正常工作造成不利的影响。
随着时间的延长和电压的缓慢升高，在镁与电解质溶液界面上聚集的含镁水合物的阴离子凝聚层越来越厚，并伴随着大量的气泡冒出，凝聚层在电流产生的大量热的作用下逐渐形成沉积膜，这一过程实质是镁合金的阳极氧化过程。阴离子凝聚层的形成阻碍了电子的通过，势必在沉积膜上产生一个很高的电场，当电压升高到足可将这层沉积膜的某些薄弱区击穿时，便产生火花放电现象，而此时的电压便为起弧电压。这时在试样表面上产生的弧光是细小、亮白、类似针尖样的火花，研究发现此时生成的微弧氧化膜的表面均匀、结构致密，而且各项机械性能都达到最优状态[3]。由于火花的密集程度还与电源的脉冲频率和占空比有关[4]，因此当频率在一定范围内升高时，火花的密集度也相应地加大。当电压继续升高时，密集、细小、亮白的火花变成斑点状、颜色呈橘黄色的弧斑，而且生成的膜层存在许多因电流过分集中击穿膜层而产生的腐蚀点。在这一阶段，因为试样表面已生成了一定厚度的微弧氧化膜，所以电压升高使氧化膜击穿而造成脱落，这会引起电流的微小波动，但这种波动对电源的冲击影响不大，只是所生成的膜层质量以及表面光洁度下降。
1.3 试验结论
从微弧氧化的整个过程来看，大面积试样在微弧氧化的初始阶段由于本身的氧化膜层很薄或没有，当施加电压略有微小波动时，其负载变化率很大，通过试样的电流和电压（主要是电流）会发生所不期望的突变，给电源的关键器件造成严重损坏。为避免这种情况的发生，将工件在微弧氧化之前通过一种可承受大电流的特种电源进行前期表面预处理，即在表面生成一层很薄的微弧氧化膜。氧化膜对电流的通过起一定的阻碍作用，在较小的电压下，电流很难突变，然后再进行微弧氧化。这样在微弧氧化的过程中，由于电源的负载变化率很小，电源将会在一个较稳定的状态下工作，起到了保护电源的作用。
2 微弧氧化电源设计
2.1 预处理电源设计
大面积工件在进行预处理时，加载在工件上的电压和通过的电流会发生不同程度的突变，特别是电流的突变尤为严重，因此在设计预处理电源时，电源的电流容量设计是整个设计的重点。电源在工作时要求能够承受长时间的大电流，而且还要求能够经受短时间的短路电流而不致损坏。预处理过程实质是镁合金的短时间阳极氧化使其表面生成一层氧化膜，以降低在微弧氧化时负载的变化率，因此，预处理电源设计成输出为低电压、大电流可调直流电源，其主电路图如图1所示。
其主电路主要由双反星形主变压器、正极性和反极性两组三相半波整流并联电路、平衡电抗器、输出电抗器及阻容保护等组成。在电路中，将正极性组和反极性组中的晶闸管都接成共阳极电路，任何瞬时，正、反极性组均有一支电路导通工作。平衡电抗器中心抽头两侧的铁芯线圈匝数相等，同时要保证两边电感量相等，即 LP1=LP2，当任一边线圈中有交变电流流过时，在LP1 与LP2 中均会有大小相同、方向一致的感应电动势产生。这样，假设在某一时刻正极性组中阳极电位最高的某一支电路导通（如图2），例如SCR1 导通，在平衡电抗器上产生反向的感生电动势，且uLP1=uLP2，这时有
u=uL1-uLP1=uL2-uLP2 （1）
uLP=uLP1+vLP2=vL1-uL2 （2）
uLP1=uLP2=1/2(uL1-uL2) （3）
从而，LP 将vL1 与vL2 之差以相反的极性平均分摊到两支路中，使SCR1与SCR5的阳极电位相等而同时导通，起到平衡作用。输出电抗器接在整流输出端起滤波作用，使整流波形系数减小而得到比较平滑的直流输出。阻容保护是防止在晶闸管两端出现过电压而对其造成损坏，图1 中所标1 和2、3 和4 分别为两路三相半波的晶闸管触发电路的入口接线端。电源的设计参数为：电压的可调范围在0耀80V、0耀120 V 中可选；最大输出电流为630A；最大输出功率为120kW。
图1 预处理电源主电路图
图2 双反星形简化电路
当电源工作时，以8098 单片机为核心的控制电路，通过向两片可编程控制器8253 中的定时器赋入相应数值，并使其工作在一定的工作方式下，同时结合同步电路信号，使8253 按照一定的相位输出两路触发脉冲去触发晶闸管导通。这时，负载电流同时由两个整流元件和两个变压器绕组供给，提高了整流元件的利用率，而每个整流元件只负担1/6 的负载电流[5]，因此这种电源可以满足在预处理时工件上要通过的大电流的需要[6]。
2.2 微弧氧化电源设计
微弧氧化电源主电路如图3 所示，主要由三相主变压器、三相半控整流电路、斩波电路组成。
图3 微弧氧化电源主电路
380 V网压经过变压器T1 和T2 分别升、降压成微弧氧化所需要的正负两个不同幅值的电压，即成为两个电源：一个为正电源提供正向脉冲，一个为负电源提供反向脉冲。经过电压变换后，进行三相半控整流，控制晶闸管导通的脉冲信号由80C196KB 单片机提供，再经过LRC 滤波后，便得到波形较为平稳且幅值符合要求的直流电压。当正电流经过IGBT1、需要进行微弧氧化的工件和IGBT4时，由另一片80C196KC 单片机产生的斩波脉冲同时控制IGBT1 和IGBT4 的开通与关断，从而得到了微弧氧化的正向脉冲电源。同样地，当负电流经过IGBTf2、需要进行微弧氧化的工件和IGBT3时，80C196KC产生的另一路斩波脉冲也同时控制IGBT2 和IGBT3 的开通与关断，也就得到了微弧氧化的反向脉冲电源。由正向脉冲和反向脉冲交替作用于工件表面，正向脉冲进行微弧氧化，反向脉冲去除表面的疏松膜层，便得到膜层质量较好的微弧氧化膜。所设计电源的正脉冲个数在1耀100 可调，最大脉冲电流500 A；负脉冲个数在1耀20 可调，最大脉冲电流300A。电源可根据工艺的要求，做到脉冲幅值、频率和占空比均在一定范围内连续可调，调节时互不影响。其各参数的调节范围具体如下：正电源电压在0耀600V连续可调；负电源电压在原300耀0V连续可调；脉冲频率在20耀1000Hz 内连续可调；占空比可在0耀100豫的范围内连续可调。
2.3 微弧氧化试验
取面积分别为1.8 m2、2.4 m2的镁合金试样，在去油污、去表面氧化皮处理后，将其放入预处理电解液溶液中并开始加载电压。将电压缓慢升高，待到超过这一面积的突变电压范围后，停止升压并保持5min 左右。然后将预处理过的镁合金试样放入微弧氧化电解液溶液中，进行为时15min 左右的微弧氧化处理，最后取出。在这一过程中，镁合金试样在预处理阶段也出现明显的电压和电流的波动，但由于预处理电源的电流容量设计得很大，其波动范围仍在电流允许的容量范围内，因此不会对电源造成任何损坏；在微弧氧化阶段，由于试样已经进行过表面预处理，其电压和电流都保持在平稳、逐步升高的状态中，达到了预期的效果和目的。
把微弧氧化过的试样用清水清洗后进行为时100h的盐雾试验，其各项性能测试的结果都达到要求。
3 结语
本文对微弧氧化的工艺过程进行了分析，并对其预处理电源主电源和微弧氧化主电源进行了介绍。大面积的镁合金在进行微弧氧化时，其电流的突变较为严重，增加一道预处理工序，可有效避免电流突变给电源造成的损坏。微弧氧化电源的设计是基于工艺过程的分析和研究，同时也为从事微弧氧化技术的研究工作者提供了一个参考。
参考文献
[1] 张欣宇，石玉龙. 等离子体微弧氧化技术及其应用[J].青岛化工学院学报,2002,23(1):69-73.
[2] 蒋百灵，张先锋. 不同电导率溶液中镁合金微弧氧化陶瓷层的生长规律及耐蚀性[J].稀有金属材料与工程,2005,34(3):393-396.
[3] 王燕华，王佳，张际标. 镁合金微弧氧化过程中不同电压下获得膜层的性能研究[J]. 中国腐蚀与防护学报,2005,25(5):267-270.
[4] 翁海峰，陈秋龙，蔡珣，鲍明东. 脉冲占空比对纯铝微弧氧化膜的影响[J].表面技术,2005,10(5):59-62.
[5] 郑宜庭，黄石生. 弧焊电源[M].北京：机械工业出版社，2002.
[6] 陈克选，李春旭，张志坚. 单片机控制等离子喷涂(焊)电源研制[J]. 甘肃工业大学学报,2000,26(2):8-11.
作者简介
陈克选（1962-）,男,博士,教授,主要从事焊接设备及自动化方面的研究工作。
