摘 要：本文通过一系列的微弧氧化实验来研究脉数对于微弧氧化起弧的影响，实验在脉宽15 μs峰值电流密度为100和200脉数变化的实验条件下进行。实验结果表明：起弧电压随脉数的改变并没有明显的规律。随着脉数的增大，陶瓷层厚度也随之增加。当脉数逐渐增大时，膜层表面的粗糙度逐渐减小；当脉数继续增大时，膜层表面的粗糙度趋于稳定。
关键词：脉数改变；起弧电压；陶瓷层厚度；膜层表面；粗糙度
1前言
微弧氧化技术是一项新型的铝、镁、钛等轻质合金表面改性技术[1-3]。该技术把氧化铝的陶瓷性能与铝合金的金属性能有机的结合起来，使材料具有更加广泛的物理化学特性以适应现代工业对材料提出的更高的要求。铝合金具有密度小、比强度高和易成型等优点，但耐蚀性和耐磨性较差。微弧氧化是一种新兴的表面处理技术，具有工艺简单、效率高、无污染、处理工件能力强等优点[4-8]。采用微弧氧化技术可在铝表面形成坚硬致密的晶态氧化膜，铝合金微弧氧化膜的厚度可以很厚，硬度大且与基体结合紧密，极大的改善了铝合金耐磨损、耐腐蚀、耐热冲击及绝缘性能[9-14]。
但是目前限制微弧氧化技术大规模工业化应用的主要障碍是其电能消耗高，还存在一些不足之处，如工艺参数和配套设备的研究需进一步完善；氧化电压较常规铝阳极氧化电压高得多，操作时要做好安全保护措施；以及电解液温度上升较快，需配备较大容量的制冷和热交换设备。所以研究低能耗微弧氧化技术具有十分重大的实际意义[15-16]。通过实验研究脉宽，脉数对铝，镁等轻质合金表面的陶瓷层生长的影响，从而制定出更加科学合理，低能耗的环保工艺。采用高起弧电压的溶液，通过峰值电流控制模式，研究脉宽、脉数及等因素对微弧氧化陶瓷层的生长的影响，对于降低微弧氧化能耗具有重大意义。
微弧氧化膜具有硬度高，耐磨性能好，耐蚀性能好，抗高温冲击性能好，绝缘性能优良，膜层结合力好，操作简单，工艺环保的特性。所以研究过压击穿下能量输出模式对微弧氧化陶瓷层持续生长的影响。对各种能量模式下陶瓷层生长速度进行测定及在阶梯式能量输出模式下陶瓷层生长速度的测定。小到10 μs脉宽、高到1500 V的电压，在过压击穿的条件下进行试验，研究单脉冲对微弧氧化的影响。研究难点在于过压击穿下能量输出模式影响微弧氧化的机理和对临界起弧的界定。
2实验部分
2.1 实验原料
本课题所用材料为工业纯铝，具有高的可塑性、耐蚀性、导电性和导热性，但强度低，热处理不能强化可切削性不好；可气焊、氢原子焊和接触焊，不易钎焊；易承受各种压力加工和引伸、弯曲。
2.2 试样尺寸
本课题中，考虑到尽可能大的处理面积以排除计算能量消耗率时的系统误差，故试验究中采用铝板试样的尺寸为50 × 50 × 3 mm，分别在各个试样上边缘中部钻出Φ2.8的通孔用于連接阳极。 其示意图如图1所示。
2.3 试样制备
在本课题中先将铝板材用剪板机剪成成所需尺寸的试样，接着在铝合金试样靠近一侧边缘的中间部位钻Φ2.8的圆孔，以便微弧氧化时与电极连接，在将试样用砂纸去掉边缘毛刺，氧化膜，打磨掉棱角以便减少尖端放弧现象。
2.4 陶瓷层厚度
电涡流测厚法主要应用于金属基体上各种非金属涂镀层无损伤的测量。利用高频交流电在作为探头的线圈中产生一个电磁场，将探头与覆盖层接触时，就在金属材料中形成涡流，并对测头中的线圈产生反馈作用，且随与金属体的距离减小而增大，该涡流会影响探头线圈的磁通，故此反馈作用量是表示探头与基体金属之间间距大小的一个量值，因为该测头用在非铁磁金属基体上测量覆层厚度，所以通常我们称该测头为非磁性测头。非磁性测头一般采用高频高导磁材料做线圈铁芯，常用铂镍合金及其它新材料制作。为了使得到陶瓷层的厚度更为准确，对试样两面各取5个测量点，取10个点厚度的平均值作为陶瓷层厚度。
3实验结果与讨论
3.1 脉数对微弧氧化起弧条件的影响
将试样放入电解液中，当回路中有电流通过时，阴极和阳极的表面便发生电化学反应，产生气体。试样表面发生火花放电现象之前，首先发生阳极氧化，其结果是在试样的表面形成一层疏松多孔的氧化膜（Al2O3），阳极表面产生的气体一部分逸出，一部分存在于氧化膜的孔洞之中；继续提高处理电压，在气泡两端电压达到一定值时，该气泡被击穿，产生火花放电，此时的处理电压称为试样的起弧电压，所用的时间成为起弧时间。
为了研究脉数对微弧氧化起弧条件的影响，我们在不同电参数下做了3组实验，实验条件为：脉宽15 μs，峰值电流密度100 A/dm2；脉宽15 μs，峰值电流密度200 A/dm2；脉宽20 μs，峰值电流密度200 A/dm2，而脉数的取值分别为：550、700、1100、1400、1650。表2为3组实验参数下测得的起弧时间及起弧电压。对表2中数据做图得到图2。
在图2中，图示■曲线为脉宽15，峰值电流密度100 A/dm2，◆曲线为脉宽15，峰值电流密度200 A/dm2，▲曲线为脉宽20，峰值电流密度200 A/dm2，脉数分别为550，700，1100，1400，1650时起弧时间的对比。从图中可以看到，三条曲线都是逐步降低的，也就是说随着脉数的增加，起弧时间是逐步减小的。这种情况是因为在微弧氧化起弧前，试样上总是要生成一层绝缘层，也称为阻抗层，当阻抗层达到一定厚度时，也就是说阻抗层的电阻达到一定值时，试样两端的电压就可以击穿阻抗层中较为薄弱的地方，从而产生微弧放电，微弧氧化得以进行。而阻抗层的生长和作用于试样上的能量有着必然的联系，当给到试样上的能量增加时，试样上的阻抗层生长就会变快，所以随着脉数的增加，其他电参数不变的时候，由于单脉冲的能量没有变化，但是单位时间内作用于试样上的脉冲的个数增加了，这样也就是说作用于试样上的总能量增加了，就导致了阻抗层生长速度的增加，也就使试样两端的电压提前达到了击穿电压，从而起弧，微弧氧化得以进行[13]。从图中可以看出，峰值电流密度对微弧氧化起弧时间的影响较大，在峰值电流密度比较小的时候，脉数对微弧氧化起弧时间的影响比较明显（起弧时间从300 s缩短到100 s以内），而当峰值电流密度较大的时候，脉数对微弧氧化起弧时间的影响略微减小，而脉宽增大的时候，脉数对对微弧氧化起弧时间的影响也略微减小，这就说明了微弧氧化的起弧过程至少是这3个参数共同作用的结果，而在本实验中只讨论脉数对于微弧氧化起弧的影响。
从表2中可以看出，在3组不同的实验中，起弧电压随脉数的改变并没有明显的规律，当峰值电流密度为200 A/dm2时，起弧电压在400 V左右，而当峰值电流密度为100 A/dm2时，起弧电压在300 V左右，造成这种情况可能是因为影响起弧电压主要因素是峰值电流密度。
3.2 脉宽15 μs峰值电流密度200 A/dm2时脉数对电压变化和陶瓷层生长的影响
3.2.1 脉数变化对电压变化的影响
这里所用到的的电压值是从微弧氧化电源供电开始，电流开始上升的时候开始记录，当微弧氧化过程开始后，也就是起弧后，对试样进行处理5 min后结束记录。
记录的数据作图后如图3所示，从图中可以看出，电压的变化基本可以分为3个阶段：电压急速上升阶段；电压上升减缓阶段；电压趋向于平稳。在微弧氧化的初期（0 ～ 10 s内），电压成直线上升状，这是因为在这个阶段内，电流还在逐渐上升，而且试样上的阻抗层也在迅速生成，这就使得两者的乘积、电压急速上升。在随后的一个阶段内电压的上升势头减缓，在这个阶段，电流达到预定大小从而稳定不变，而阻抗层在继续生成，所以试样两端的电压继续上升，而起弧也基本发生在此阶段后期。而下一个阶段，电压的增长速度变慢从而趋向于稳定，这是因为在此阶段前起弧已经发生，此时在试样上的阻碍电流通过的主要成分是微弧氧化所生成的陶瓷层，而相比于起弧前试样上的阻抗层，陶瓷层的生长速度明显要慢，所以试样两端的电压增长也就变慢，当陶瓷层生长到一定厚度之后，现有的电参数已经不能满足陶瓷层的继续生长，此时电压就趋于稳定而不在增长。
从图3中可以看到最下方標注■一条曲线，也就是脉数550的曲线，并没有明显的3个阶段，这是可能是因为脉数太少而峰值电流密度又不够大使得单位时间内的能量太少，而使得阻抗层和陶瓷层的成长都很慢，从而使电压的增长也很慢。在这一组试样中所观测到的各种实验数据在表3。
3.2.2 脉数对陶瓷层厚度的影响
在其他电参数相同的条件下，随着脉数的增大，陶瓷层厚度也随之增加，图4为根据表3中厚度数据所做，其中的厚度值为起弧后5 min微弧氧化处理的样品的厚度值，在多点测量后取所测得的数据中的大值。当脉数较小如550时，所生成的陶瓷膜厚度为3.4 μm，而当脉数增大到1650时，所生成的陶瓷膜厚度增大到7.9 μm。当脉数从700增加到1100时陶瓷膜层厚度增加并不明显，因为在微弧氧化过程中，每次击穿时都会击穿一定量的陶瓷层，随着微弧氧化过程的进行，陶瓷层的厚度会越来越厚，每次都会有很多量的陶瓷层重复被击穿，从而影响了陶瓷层的生长速度，使陶瓷层的平均生长速度下降[16]。陶瓷层生长过程占据了微弧氧化过程的大部分时间，因而是微弧氧化处理的主要过程。
3.3 脉宽20 μs峰值电流密度200 A/dm2时脉数对电压变化和陶瓷层生长的影响
3.3.1脉数变化对电压变化的影响
这里所描述的电压指的是从开始供给电流时开始记录一直到起弧之后微弧氧化处理5分钟之后结束，对电压数据做随时间变化曲线如图5。
从图5可以看出电压变化曲线如同图3中的一样都可以分为三个不同的阶段，第一阶段因为电流的增大和样品表面阻抗层的增厚造成电压值以很大的速率上升，第二阶段电流稳定不变而样品表面的阻抗层继续增大，电压上升的速率较第一阶段减缓，第三阶段在起弧后因为样品表面的陶瓷层的电阻增加速率没有阻抗层电阻增加速率快，所以电压增长速率进一步减小，而当样品表面的陶瓷层增长到一定厚度之后，电压趋于稳定不在增加。
和图3中脉数为550的曲线对比，图5中脉数为550的曲线明显有三个阶段的变化，这是因为脉宽的增大，导致单位时间内的能量增多，使得陶瓷层的增长速度比脉宽15 μs时要快，所以电压的增长速度也变快。
在本组实验中所观测的的数据及微弧氧化处理后的试样表面陶瓷层的厚度如表4。
3.3.2 不同脉数对陶瓷层厚度的影响
在其它电参数相同的条件下，随着脉数的增大，陶瓷层厚度也随之增加，厚度为起弧后5 min所测。从图6可以看出，在脉数550到700时的厚度增加较大，但在脉数700到1100时增加相对较小，从脉数1100到1650，陶瓷层厚度增加的程度又相对较大。膜层厚度的增加，相当于增加了其等效电路内的电阻，导致电流密度会随之降低，单脉冲的放电能量也随之越来越小，膜层厚度的增长速率也变得越来越缓慢，但此时电解液的温度还是增加的，碱性电解液对膜层表面的腐蚀程度也是越来越剧烈，此时对于膜层厚度来说，总的趋势是减小的。随着时间的延长，其膜层厚度会越来越小；频率较高时，由于温度升高的较慢，腐蚀程度也较低，所以，此时的膜层厚度会高于低频时的膜层厚度。膜层厚度的趋势总体是增加的。
3.4 脉宽20 μs峰值电流密度200A/dm2时脉数对陶瓷层表面微观结构的影响
图7中的SEM扫描照片是在电参数为脉宽15 μs，峰值电流密度200 A/dm2而脉数分别为550（a），700（b），1100（c），1400（d），1650（e）时的条件下微弧氧化起弧后继续进行5 min处理后所制备的陶瓷层表面形貌扫描照片，放大倍数为1000倍。随着脉数的升高，加在试样两端的电压逐渐升高，当脉数不低于500 Hz时，随着脉数的增加，加在试样两端的电压变化不大。脉数的大小可以明显地改变陶瓷层的相结构，在较大脉数下膜层中的非晶态组织要远远高于低频试样。
微弧氧化陶瓷层表面有许多大小不一的微孔，孔无规律地分布在呈凸起状陶瓷颗粒的中间位置或边缘，这些孔洞互不连通，形成微孔镶嵌的网络状结构。这些分布在氧化膜表面且互不连通的气孔是微弧氧化过程中等离子体的放电通道，等离子放电最大可能在膜层的薄弱环节（如孔洞）产生。当脉数减小时，氧化膜表面的微孔孔径逐渐减小，数目有所增多，膜层表面更为平整。
微弧氧化是一个击穿、熔融氧化、凝固、再击穿的循环过程。当电流密度较小时，每次击穿产生的熔融氧化区小，从而使陶瓷层表面形成的微孔孔径较小，陶瓷层比较致密。脉数增加所引起的单位时间内脉冲次数的增加是主导因素，因而试样表面可能发生击穿的部位及同一部位发生的击穿次数都会增加，加快了陶瓷层整体增厚速率，所以厚度会随着脉数的增加而增加。但是随着陶瓷层的增厚，尤其在微弧氧化的后期，微弧击穿变得困难，需要更高的外加电压，每次击穿产生的熔融氧化区较大，生成的小颗粒尺寸和放电微孔的孔径都变大，所以最终生成陶瓷层的表面粗糙度也增加。当脉数逐渐增大时，膜层表面的粗糙度逐渐减小；当脉数继续增大时，膜层表面的粗糙度趋于稳定。由图7可看出，脉数对陶瓷膜层粗糙度的影响较小。低频下陶瓷层表面残留大量放电气孔，微孔周围可明显看到熔化的痕迹，形成的晶粒烧融在一起，孔隙大而深。高频下表面呈细小颗粒状，整个表面也较致密，且晶粒上放电微孔孔径小而且分布均匀，与低频状态下相比，微孔的数量也急剧减少，而这些微孔为等离子体放电通道，由此也可解释高频起弧时间短的原因。
3.5 脉宽20 μs峰值电流密度200 A/dm2时脉数下对陶瓷层横截面微观形貌的影响
图8，图9，图10为陶瓷层横截面的SEM形貌照片，陶瓷层主要由α-Al2O3和γ- Al2O3两相组成。外层（图左）主要是γ-Al2O3，由照片可以看出，组织结构疏松，并且有很多孔洞存在，因此称之为疏松层。内层主要是由刚玉结构的α-Al2O3相构成，因此膜层致密，硬度高，是防腐蚀、耐磨损的主要工作层，称之为致密层。致密层与基体呈犬牙交错状，属于冶金结合，非常牢固。纯铝微弧氧化陶瓷膜有疏松层和致密层两层结构，膜层硬度高，可以有效地保护纯铝基体材料。
在微弧氧化膜中，除稳态α-Al2O3相、亚稳态γ-Al2O3相机构外，还有不定性组织（溶液中与Al结合的硅酸盐结构），等离子体形成新的氧化条件后，不但不会溶解掉原氧化膜，而且还会在原氧化膜上生成新的氧化膜，从而使氧化膜的厚度增加，随着氧化膜厚度的增加，使该区域的微弧会自动消失。由于在电场的作用下，微弧会在其他氧化膜薄弱环节中出现。因此，微弧氧化的过程中，在工作的表面上会看到许许多多跳动的微弧点。
频率的增加，使得单个脉冲的放电时间缩短，放电能量降低，但增加了同一时间内的放电次数，对于本试验来说，较低的放电能量在陶瓷层上释放的次数得到增加，而这部分能量很难用来增加膜厚，更多的是用在了膜层表面致密层的增加上，所以硬度越来越大。
3.6 脉数变化对于起弧能量的影响
电源的电参数对膜层的影响就是脉冲能量对膜层的影响。电源的各个电参数都可以归结为脉冲能量的作用，微弧放电的火花就是脉冲能量的直接外在表现，陶瓷膜层就是这种能量的作用结果。单脉冲能量由这些电参数共同作用、共同影响。电源的控制方式决定了脉冲能量的施加方式，因此间接地影响了膜层的性能。脉宽相同，脉数多的时候，单位时间内的总能量增大，但是单脉冲能量不变。当脉数较低时，脉冲作用时间长，微弧放电的持续时间相应也长，单脉冲放电能量大，导致膜层表面微孔尺寸增大，致密层比例降低，因而表面粗糙度增加，结合强度降低；当脉数较高时，由于放电时间短、放电次数多，所以微孔孔径减小，密度增加，粗糙度相应降低。在脉数较低时，随脉数的增大，放电次数增多，膜层生长速率增大，当增加到一定程度时，虽然放电次数增多，但单脉冲放电时间缩短，放电能量减小，过短的反应时间影响了反应的充分进行，因而膜层生长速率开始下降。
起弧能量是对起弧前的电压曲线对时间求积分并乘以平均电流。指的是在起弧前所耗费的能量。起弧能量计算式如下式：
式中Ia——平均电流；V——电压，t——时间， ΔT——脉宽，N——脉数。
对于电参数为脉宽15 μs、峰值電流密度为100 A/dm2时起弧能量计算结果如下表5。
电参数为脉宽15 μs、峰值电流密度为200 A/dm2时的起弧能量如下表6所示。
对表5和表6中数据作图，得到图11。
从图11中可以看出当电流密度较小时，起弧能量的变化随脉数的变化先增大后减小，当脉数从550增加到700时，起弧能量略微增加，而当脉数继续增大时，起弧能量明显减少，造成这样的原因可能是脉数的增加使得试样表面阻抗层的生长速度有了明显的增加，这样就是的起弧的时间减少，从而使起弧能量减少。而当电流密度较大时，起弧能量随脉数的增加呈先减少后稳定的趋势，脉数在小于1100时，脉数的增加使得试样表面阻抗层增加速率变快，而当脉数大于1100时，脉数对阻抗层增加速率的影响减弱，所以曲线趋于稳定。
4结论
本课题通过一系列的微弧氧化实验来研究脉数对于微弧氧化起弧的影响，实验在脉宽15 μs峰值电流密度为100和200脉数变化（550、700、1100、1400、1650）的实验条件下进行，在脉宽和峰值电流密度一定的条件下，得到如下结论：
（1）随着脉数的增加，电压增长速度随之加快，并且能达到的最大电压值也随之增加。
（2）随着脉数的增加，起弧时间明显缩短。
（3）脉数增加，陶瓷膜层厚度也随之增加。
（4）随着脉数的增大，陶瓷膜层表面孔的数量减少，孔径变大，粗糙度增大。
（5）脉数的逐渐增大使起弧能量逐渐减小。
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Abstract： In this paper， the effect of pulse number on arcing of micro-arc oxidation is studied by a series of experiments of micro-arc oxidation. The experiment was carried out under the condition that the peak current density of the pulse width 15 μs was 100 and 200 pulses. The experimental results showed that the arc starting voltage changed with the pulse number， and with the increase of the pulse number. When the number of pulses increases， the surface roughness decreases gradually， and when the pulse number increases， the surface roughness tends to be stable.
Keywords： Pulse number change； Arc starting Voltage； Ceramic layer thickness； Film Surface； Roughness
