微弧氧化电源负载特性与脉冲能量作用效能的研究

微弧氧化是一种很有前途的轻合金表面陶瓷化改性技术，大量致力于成膜机理和各种功能膜层制备的实验探索还在继续，但高能耗导致的高成本严重制约了其工业化发展。.申请者在科研实践基础上，提出从电气系统优化的角度探索电能有效作用的研究方法。拟从分析复杂、多变的微弧氧化负载电气特性入手，揭示负载电路模型结构和参数的阶段性、非线性和时变性变化规律，奠定微弧氧化电能转化机理和作用效能的分析基础，补充探索微弧放电机理的理论依据；在此基础上，分析促进膜层生长的脉冲能量需求和加剧电解液热损耗并导致系统损耗倍增的多余能量来源，明确系统电参数与能量损耗之间的量化关系，给出与负载特性变化对应的电源输出特性、脉冲波形参数的系统匹配方法。为实现低能耗微弧氧化提供一种系统分析和设计的科学依据，促进微弧氧化技术的进步和工业化发展，也为新工艺、新材料微弧氧化功能膜层制备以及其它电化学相关研究提供新的思路。

微弧氧化是一种在铝、镁、钛等金属及其合金表面原位生成陶瓷相氧化膜的表面改性新技术，因其生成的膜层具有优良的耐磨、耐蚀性能而受到了广泛的关注。在国内外科研实践的基础上，微弧氧化技术已开始实际应用，其膜层性能和环保优势得到了充分体现，但同时，其工艺能耗过大特别是电能消耗大而导致成本过高的问题也日益突出。. 项目采用从电气系统优化的角度探索电能有效作用的研究方法，从微弧氧化复杂多变的负载电气特性分析入手，对氧化过程中电能的转化机理和作用效能展开研究，提出了可有效降低工艺能耗的优化方法。首先，以由电化学阻抗谱法得到的多孔膜等效电路模型为基础，采用对微弧氧化电源负载实际波形进行参数拟合的方法，得到了能够反映负载在脉冲作用下的特性的等效电路模型。结合该等效电路模型分析了不同类型脉冲对负载的作用效能，明确了无益于膜层生长的多余能量的消耗，是导致工艺能耗增大、膜层质量和性能下降的主要原因。其次，根据脉冲对负载的作用效能，提出了将脉冲能量可控的具有陡直前沿的尖峰电流脉冲用于微弧氧化的研究方案。同时，为保证输出电流脉冲的能量可控，对脉冲波形控制进行了研究，建立了在微弧氧化电源负载条件下，电流脉冲单元耦合电感原、副边绕组进行能量交换时的等效电路模型，分析了原、副边绕组漏感和负载参数及其剩余电压对电流脉冲波形的影响，给出了控制脉冲波形的有效方法。在相同工艺条件下，通过对铸铝工件进行微弧氧化加工的比较，采用尖峰电流脉冲时，其单位能耗比方波电流脉冲明显降低，所需电源输出功率减小，实际验证了脉冲作用效能的提高。最后，利用尖峰电流脉冲电源，实现了不经一般方法中所必需的热浸镀铝环节，直接在Q235钢表面生成微弧氧化膜层，拓展了该技术的适用金属范围。. 该项目的研究为实现低能耗微弧氧化提供了一种新途径，对微弧氧化技术工业化发展起到了一定促进作用；新形式的脉冲电源为探索微弧放电机理提供了新的实验条件，也为目前正在进行的新工艺、新材料微弧氧化功能膜层制备提供了新的技术手段。