微弧氧化电波脉冲电源及负载电气性能之研究

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1、微弧氧化电波脉冲电源及负载电气性能之研究第1章绪论1.1课题的及研究的目的与意义微弧氧化的工艺过程十分复杂，其氧化成膜的机理涉及到电化学、等离子体化学、热化学等多学科领域，但实验研究结论普遍认为，整个氧化过程可分成3个阶段：普通阳极氧化阶段、火花放电阶段和微弧放电阶段[4]。各个阶段对电源的输出特性要求是不同的，而目前所用的各类电源主要是根据微弧形成条件和工艺实验的经验估计而设计的，其输出特性相对比较单一，仅是一种工艺和技术上的实现，尚缺乏有针对性的深入科学分析与理论指导。这应该是导致整个工艺过程持续时间长、加工效率低和电能损耗大的根本原因。目前国内外各种

2、微弧氧化电源以方波脉冲恒流或恒压特性控制为主流，而且实验证明，输出电参数对微弧氧化成膜速度和电能消耗具有显著的影响，而研究这一问题仅靠实验摸索将是十分困难的。本课题于国家重点工业性试验项目（PECC）功率脉冲电源子项目，是将为开展工业性实验研制新型工业设备、并在此基础上提高生产和电能转换效率作为目的的应用基础研究，受到国家自然科学基金微弧氧化电源负载特性与脉冲能量作用效能的研究（50977018）的资助。随着现代科学技术的不断发展和进步，多个学科间的交叉研究变得更加广泛，电力电子领域的电能变换技术越来越多地应用到电化学过程中，电化学反应需要电能变换技术提供

3、研究方法和手段。目前，随着电力电子技术的深入研究，特别是脉冲电能变换技术的不断成熟，其在材料工程和电化学领域获得了广泛应用，使交叉学科的研究显得尤为重要。电化学反应包括电极与反应物质之间的电子交换过程，电极反应在电极与电解液之间的界面上进行。电化学的反应过程受电源输出形式、波形和参数等条件影响，目前相关学科的交叉研究还相对薄弱，电化学领域的研究重心一般为电极反应过程本身，而电力电子学科的相关研究又对电化学反应过程的机理涉及较少。如果能在深入研究电化学反应机理的基础上，找出电化学反应和产物性能最优时所对应的外加电压或电流条件，并通过电能变换技术来获得，那么就

4、很容易发现电化学反应的机理、过程和实现方法，找出控制反应过程或产物效果的电学因素，在相同生产效率的基础上找出减少电能消耗的方法。微弧氧化系统可谓是完整的电加工系统，其电源不应该在不明确负载电气特性的情况下仅提供微弧氧化功能实现的条件，既然高能耗最终反映的是电能的消耗与损耗，则可以将微弧氧化反应视为电气负载，在满足已明确的电参数必要条件下，根据各氧化阶段不同的负载特性，匹配电源的工作模式，控制输出的静态和动态特性及参数，从电气系统优化的角度，探索提高电能有效利用率的途径和方法，为低能耗微弧氧化系统设计提供科学依据和应用技术储备。建立完整工艺过程的电化学负载电

5、路模型，是揭示不同工艺阶段影响加工时间和用电效率关键因素的重要途径，也是实现电源特性与负载特性的相互匹配，即如何规划电源输出波形、频率、脉宽、幅度、极性等静、动态特性的前提。综上所述，通过设计微弧氧化脉冲电源和建立微弧氧化负载电路模型进行电源和负载特性匹配控制的研究，实现微弧氧化电能转换的系统优化，提高加工效率和用电效率，将促进微弧氧化技术的工业化应用推广，有利于节约能源，降低环境污染，具有十分重要的意义。1.2微弧氧化技术的研究进展微弧氧化（MAO－MicroarcOxidation）又称为微等离子体氧化（MPO－MicroPlasmaOxidation

6、）、阳极火花沉积（ASD－AnodicSparkDeposition）或火花放电阳极氧化（ANOF:AnodischenOxidationunderFunkenentladung），也被称为等离子体增强电化学表面陶瓷化（PECC－PlasmaEnhanceElectro-chemicalSurfaceCeramic-Coating），是一种在铝、镁、钛等轻金属及其合金表面原位生成氧化陶瓷膜的表面处理技术[4]。所谓微弧氧化就是将Al、Mg、Ti等阀金属或其合金置于电解质水溶液中，利用电化学方法，在该材料的表面微孔中产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和

7、电化学的共同作用下，生成陶瓷膜层的阳极氧化方法。1.2.1微弧氧化技术的原理和研究进展在微弧氧化工艺加工过程中，工件作为氧化阳极浸于电解液中，金属表面原有的氧化膜层在高压放电区被击穿，发生微弧等离子放电，利用微弧放电的瞬间高温烧结和电解液的冷淬作用，可直接在工件表面原位生成与基体紧密结合的陶瓷相氧化膜层。这种膜层具有致密、耐磨、耐热、耐蚀及绝缘等优良的性能，可以显著提高金属表面性能，尤其适于弥补铝、镁、钛等轻金属及其合金的表面性能缺陷[5]。1.2.1.1微弧氧化的原理和特点微弧氧化工艺结构如图1-1所示。其中一组待加工的金属合金吊件作为阳极置入电解液中，

8、与微弧氧化脉冲电源的正极相连；电源负极与不锈钢电解槽相连，电解槽作