间产生的电弧使通过电极之间的气体电离而形成热等离子体，温度可达3000℃，将涂层粉末送入等离子焰中加热熔融，并高速喷射到金属基体上快速凝固而形成涂层。这种方法具有生产效率高、涂层均匀、涂层与基体之间结合强度高、重复性好和适合工业化生产等优点，但它的处理成本较高，不能在复杂形状表面获得均匀涂层，因而限制了其应用的范围。离子注入和激光脉冲沉积法具有涂层可设计性的优点，但这两种方法的费用十分昂贵，且涂层与基体附着力较差。与等离子喷涂、离子注入和激光脉冲沉积等方法相比较，溶胶一凝胶法具有设备和操作简单、易形成均匀涂层、并易使涂层具有各种功效等优点，但因其工艺过程过于繁杂，涂层与基体结合强度弱等缺陷而影响了其应用。在1986年之前，人们普遍采用表面氧化法对钛及其合金进行处理，以便在其表面得到厚度和硬度适中的氧化膜。这种膜一般采用热处理方法或将材料放入处理液中进行阳极氧化得到。热处理法的实质是将工件放在空气介质中，在450~800℃下保温9~13小时，使其表面形成一层15~30 μ m厚的金红石型TiO2。然而，由于工件长时间受高温的作用，导致在氧化膜与钛合金基体的界面处形成一层含Q-Ti的离子层，从而使基体变脆，降低了整个工件的耐腐蚀性能和机械强度。这种膜在某些轻酸或卤盐溶液中耐腐蚀能力很差，而金红石TiO2一般具有更好的保护特性。后来有研究表明，在普通的环境温度下，高电压阳极氧化能够得到金红石/锐钛矿型的TiO2膜，这种氧化膜具有很好的耐磨损和耐腐蚀能力，这是利用微弧氧化技术在钛及其合金表面制备耐磨、耐腐蚀保护膜的雏形。
将微弧氧化作为一种新型高能量密度材料加工技术应用于钛及其合金的表面改性处理是近年来刚刚发展起来的一个研究向，与其他表面改性处理方法相比较，微弧氧化技术具有工艺简单、处理效率高、成本低、不受工件表面形状限制、涂层与基体结合强度高且对环境无污染等优点。此外，微弧氧化法制备的氧化膜具有内层致密外层粗糙多孔等特点，并且通过处理液的调节可以使氧化膜层富含多种元素，因而，该技术已引起国内外学者和产业界的广泛关注，具有广泛的发展前景。
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第三章.实验设备及实验方案设计
3.1实验设备简介
试验采用的是中南民族大学研制的MAO-Ⅱ微弧氧化电源，可采用稳压/稳流工作方式。主要技术指标如下：正向电压600 V，正向最大电流18 A，负向电压150 V，负向电流5 A，频率30-2000 Hz，占空比5%-80%。 微弧氧化实验装置如图3.1所示。主要包含微弧氧化电源、电解槽、搅拌器、循环冷却系统、温度计等部件。试样经过预处理之后置于电解液中进行微弧氧化处理，处理结束后先用自来水冲洗，之后用去离子水冲洗、热风吹干。
图3.1微弧氧化装置示意图
3.2实验方案的选取
查阅相关文献可知,A液（配方见实验材料）在对镁铝合金的表面处理中均有着良好的反应，实验制得的氧化膜陶瓷层与铝镁基体结合力强，陶瓷层金钩紧密，性能优异，对铝镁合金耐磨性抗腐蚀性均达到了大大的改善，并且实验中获得的硬度能够满足预想要求。由金属学知识可知，钛合金与铝镁合金有着相似的性能，因此预想在这里A液是否同样适用于钛合金的表面处理。用A液做钛合
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金的微弧氧化实验时发现：430V左右起弧，处理5分钟，电压为525V。试样表面明显粗糙，有较多花斑，局部烧损，表面陶瓷膜明显成型差。因此在A液的基础上对实验材料进行改进，进一步探索钛合金的电解液配方。更改后的配方为B液（参数见实验材料）。
3.3微弧氧化膜制备过程
微弧氧化膜制备过程中主要分为三个阶段：前期处理，微弧氧化和后期处理。 1.前期处理
首先需要对钛合金板材进行取样，用切割机切割成规格为15mm*15mm*4mm的正方形板材，为了在实验过程中便于氧化，需要在制的的板材上端打孔，打孔位置便于板材与电极链接。通常加工所得的试样表面沾有油污，还会粘附尘埃、杂质颗粒等，这些污染物在微弧氧化处理过程中会污染槽液，影响试验的效果。为保证微弧氧化处理效果，同时也保证电解液的纯度和稳定性，有必要在处理前对试样进行除油处理以保证零件表面的清洁。清洁完成后用金相砂纸进行粗磨(400#砂纸)和细磨(800#砂纸)，最后进行抛光处理。为了进一步冲洗掉残剩的污物，用丙酮对工件再次进行清洗，取出试样放在去离子水中将表面清洗干净，用吹风机吹干后准备进行微弧氧化。
2.微弧氧化
在进行微弧氧化处理前，首先按照预先设计的电解液配方进行溶液配制，根据待添加化学试剂的不同特性分别加入到一定量的去离子水中并不断搅拌，进行预先溶解，启动循环磁力泵装置，对溶液进行充分的搅拌，按照试验方案设计的电参数组合，利用示波器调整电源的输出打开冷却装置，使得溶液保持恒定的温度。将预先处理好的试样放置于阳极处，阴极材料为不锈钢，保证搅拌系统的正常运转。打开电源，根据实验要求调节电源参数，试样表面出现微弧放电现象，微弧氧化开始，调节预定的电流密度值直到所需要的微弧氧化的时间为止，关闭电源，取出试样。
3.后期处理
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经过微弧氧化处理的试样从电解液中取出，用去离子水清洗，吹干。将获得的试样放置干燥密封袋中，并用干净的吸水纸包裹。在根据不同的检测要求，对试样进行相应的处理。
整个微弧氧化的流程可以通过下图表示，见图3.2.
材料成型 化学出油 自来水清洗 去离子水清洗 去离子水清洗 微弧氧化处理 去离子水清洗 丙酮清洗 丙酮清洗 去离子水清洗 再次取样镶嵌处理 图3.2：微弧氧化流程图
3.4微弧氧化过程和实验现象
由于微弧氧化理论至今没有一个完善统一的结论很多问题尚未得到论证,现参考Belevantsev的研究结果，将MAO过程分为四个阶段:I一普通阳极氧化;II一火花放电;III一微弧放电;IV一弧光放电。
样品经过预处理放入电解液中通电后，随着电压的升高,它的表面会产生大量气泡，且气泡渐渐上升离开基体表面,与此同时，样品表面会很快生成一层很薄的颜色较浅的金属氧化物绝缘膜，此层氧化膜表面凹凸不平,且金属光泽逐渐消失，这是第I阶段的普通阳极氧化。当电极间电压超过某一临界值时，材料表
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面出现无数细小的火花，由少到多,渐渐增多,火花位置不断变换，此起彼伏,这是第II阶段的火花放电。接着样品表面出现大量游动的微小弧光，这是由于电压达到某一临界值后氧化膜中某些薄弱部分被击穿，发生了微区弧光放电现象，这是微弧氧化过程中的第III阶段微弧放电。随着电压的继续升高，材料表面的弧光颜色逐渐改变，范围逐渐增多，最后占据材料的全部表面。随着时间的推移，氧化进一步向深层渗透，一段时间后，内层可能再次形成比较完整的金属氧化物绝缘层，随着氧化膜变厚，微等离子体形成的熔融氧化物凝固后使部分导电通道封闭，从而放电弧斑逐渐减少。随后氧化进入第IV阶段，即弧光放电阶段，这时在样品表面可以看到一些较大的微区放电弧斑，并在同一位置连续放电，这种连续大面积击穿放电对氧化膜具有很大的破坏性，实验过程中应尽量避免。
在微弧氧化整个过程中,基本是击穿——熔化——覆盖——弧熄——凝固——击穿的反复过程，生成的陶瓷层不断溶解又不断生成。由于击穿部位总在最爆弱的地点产生，因此最后形成的陶瓷层是均匀分布的。
3.5实验材料
本课题研究的基体材料为Ti50钛合金，其化学组成见表1。试验中采用的化学药品主要有磷酸钠、氟锆酸钾、氢氧化钠、三乙醇胺等，药品全部为分析纯级别。
表3.1 Ti50钛合金的成份组成
元素
质量百分数%
元素
质量百分数%
采用两种微弧氧化溶液对Ti50钛合金进行微弧氧化处理，溶液组成分别如表2所示
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