CN110904485B - 一种扫描式激光辅助微弧氧化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种扫描式激光辅助微弧氧化装置及方法，本发明装置无电解槽尺寸束缚，无需超大功率电源，可以进行局部强化或修复处理，降低能耗、提高成膜效率及膜层质量，能够降低微弧氧化起弧电压与能耗，使微弧氧化更容易进行，更快进入到成膜阶段，能够实现对大尺寸工件或复杂型面工件的加工，解决传统加工装置中的面积效应和尖端放电现象，降低工件尺寸对电源输出功率的限制，通过对极间电场的控制，实现特定区域微弧氧化。

Description

一种扫描式激光辅助微弧氧化装置及方法
技术领域
本发明涉及一种扫描式激光辅助微弧氧化装置及其工艺方法。
背景技术
近年来我国航天航空工业取得了迅猛发展，由于使用环境的特殊性，航天航空设备需要使用大量的专用工程材料。这促使我国航空航天材料的研究取得了很大的进展，其中的一个研究重点就是航空航天材料的轻量化。经过长期的生产实践和科学研究，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化一些金属材料，得到一系列的轻合金，一些轻合金作为一种机械性能卓越、比刚度高的轻质合金，能够满足航天航空领域轻量化的要求，但是某些轻合金表面硬度低，耐腐蚀能力差，使得其在航天航空领域的应用受到了限制。
微弧氧化(Microarc oxidation，MAO)，又称为等离子体电解氧化(Plasmaelectrolytic oxidation，PEO)，是一种在阀金属及其合金表面原位生长陶瓷膜层的表面改性技术。微弧氧化技术是从传统的阳极氧化技术发展而来的，相对于阳极氧化技术，微弧氧化技术突破了阳极氧化中反应电流和法拉第电压的限制，把电流和电压分别由几十微安每平方厘米和几十伏提高到了几百毫安每平方厘米和高达四百伏到六百伏。微弧氧化技术在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，能直接把基体金属氧化烧结成氧化物陶瓷膜，不从外部引入物料，有别于一般表面改性技术，使得微弧氧化膜既有陶瓷膜的高性能，又保持了氧化膜与基体的结合力。微弧氧化膜层结构致密，韧性高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。
但是，目前国内针对工件表面的微弧氧化加工多是直接将工件浸没在电解液中作为阳极，通过将电解槽和电源阴极相连作为阴极，阴极面积相对较大，阴阳极之间无任何相对运动，通电后实现对工件表面的同步加工。这种加工方法对电源功率的依赖性高，因此对电源功率的要求非常苛刻、起弧面积不可控。由于导电和受热不均匀性等原因，工件表面会出现尖端放电和面积效应。微弧氧化技术在实际应用中还是面临着如下问题：(1)能耗高，受限于超大功率电源的设计和制造水平，导致超大工件无法处理；(2)现场局部修复难以实现；(3)各区域膜层性能要求不同的工件极难处理；(4)微弧氧化处理会降低基材的疲劳寿命。这些问题已经成为制约微弧氧化技术在航空航天等高端装备上进一步推广和应用的重大瓶颈。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种扫描式激光辅助微弧氧化装置及方法。
本发明装置无电解槽尺寸束缚，无需超大功率电源，可以进行局部强化或修复处理，降低能耗、提高成膜效率及膜层质量。能够降低微弧氧化起弧电压与能耗，使微弧氧化更容易进行，更快进入到成膜阶段。能够实现对大尺寸工件或复杂型面工件的加工，解决传统加工装置中的面积效应和尖端放电现象，降低工件尺寸对电源输出功率的限制，通过对极间电场的控制，实现特定区域微弧氧化。
本发明的技术方案如下：
一种扫描式激光辅助微弧氧化装置，包括：电源、阴极棒、喷嘴、激光器、电解槽、循环泵；所述电源正极与待加工的工件连接，电源负极与阴极棒连接；所述喷嘴为中空管状，阴极棒设于喷嘴上部中空的管内，喷嘴与工件之间在垂直位置上相互靠近但不接触；所述循环泵连通电解槽与喷嘴(实现电解液在电解槽与喷嘴之间的循环)，电解槽中装有电解液，工件位于电解液的液面上方且不与电解液接触；所述激光器设于工件上方，激光器发出的激光角度位置可调(可通过调节激光器的位置以及激光器的激光电源强度来实现能量级数的划分)；
进一步，喷嘴与阴极棒嵌套部分(阴极模块)与工件(阳极)之间的间距，即电极间距为2-5mm，喷嘴的喷头设置于电极间距的中部位置；
进一步，工件与电解液的液面间距为3-5mm。
本发明还提供了利用上述装置进行扫描式激光辅助微弧氧化的方法，所述方法为：
将电源正极与待加工的工件连接，电源负极与嵌套在喷嘴内的阴极棒连接，将待加工的工件置于电解槽内的工件支柱上，使得工件位于电解液的液面上方且不与电解液接触，由激光扫描工件表面，并通过喷嘴向工件喷涂电解液，激光器波长λ1取1000-1100nm，脉宽τ1取20-30ns，能量Q取1-3J，光斑直径D取2-5mm，电解液温度为20℃，流速为5L/min，采用激光辐照与微弧氧化同步复合处理工件；
所述工件可以为轻合金金属材料，例如：钛合金、铝合金等；
所述电解液的组成为：Na2SiO3 5～15g/L，NaOH 1～4g/L，Na2HPO4 2～6g/L，氮化钛颗粒3～5g/L，溶剂为水；所述氮化钛颗粒粒径在10～14nm，在电解液中加入氮化钛颗粒，使溶液成乳浊液状态，喷射在试样表面，这样由激光先扫描试样表面后，能使颗粒物质更易且更加均匀地进入氧化层；
电参数为：正向电流密度为8～10A/dm2，负向电流密度为4A/dm2，脉冲频率为400～450Hz，占空比为20～25％，单个周期内正/负向脉冲数之比为1。
创新性分析：
本发明装置的创新性在于采用喷涂电解液的方式，不用将工件整个浸入电解液中，解决了以往微弧氧化装置能耗高，大工件无法处理，现场局部修复难以实现的问题；且在电解液中加入氮化钛颗粒物质，喷涂在试样表面，激光扫描后，能使颗粒物质更加均匀的进入氧化层，达到材料表面强化的目的，还可提高材料表面的原子扩散能力，可以使金属表层晶粒细化，改善材料表面活性和增加表面粗糙度，降低微弧氧化起弧电压与能耗，使微弧氧化更容易进行，更快进入到成膜阶段，因而起弧电压降低，生成的陶瓷膜层厚度增加。
该装置提供了激光诱导微弧氧化复合强化新方法。即采用激光辐照与微弧氧化同步复合处理轻合金金属材料，根据激光辐射和阴极喷嘴位置可以分为3个区域(I-激光作用区域；II-阳极氧化/激光诱导区域；III-微弧氧化区域)，沿着加工方向，激光辐照能改变I区域基材表面组织与应力状态，影响II区域阳极氧化阶段介电层的形成，激光还会使II区域产生等离子体，诱导III区域微弧氧化阶段放电与成膜，降低击穿电压，加速电化学反应，从而提高成膜效率和质量，降低能耗。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
a.能够显著降低微弧氧化起弧击穿电压，降低能耗；
b.能改变基材微观组织与表面应力状态，从而改变其表面电化学性质和改善加工后基材力学性能；
c.激光辐照能使基材表面电解液出现局部微搅拌，影响传质过程，加快电极反应，提高成膜效率；
d.能实现激光表面强化和微弧氧化的协同复合强化，也可以根据不同区域需要进行局部调控，提高表面强化质量。
附图说明
图1：本发明装置示意图；
其中，1-电源，2-阴极棒，3-喷嘴，4-激光器，5-工件，6-电解液，7-电解槽，8-循环泵，a-加工方向。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
如图1所示，一种扫描式激光辅助微弧氧化装置，包括：电源1、阴极棒2、喷嘴3、激光器4、电解槽7、循环泵8；所述电源1正极与待加工的工件5连接，电源1负极与阴极棒2连接；所述喷嘴3为中空管状，阴极棒2设于喷嘴3上部中空的管内，喷嘴3与工件5之间在垂直位置上相互靠近但不接触；所述循环泵8连通电解槽7与喷嘴3，电解槽中装有电解液6，工件5位于电解液6的液面上方且不与电解液6接触；所述激光器4设于工件5上方，激光器4发出的激光角度位置可调。
实施例1
预处理：利用线切割将工件基体切割成60mm*20mm*20mm长方形薄片，并将长方形薄片打磨，去除表面氧化膜后放置在酒精溶液中，超声波清洗5～10min，超声结束后取出试样，用去离子水冲洗，冲洗结束后自然干燥；
所述工件为钛合金，工件打磨去除表面氧化膜层的具体方法是：将工件用240#，400#，800#，1200#金相砂纸进行表面打磨，去除表面氧化膜及表面划痕。
先由激光扫描工件5表面，紧接着对工件5进行微弧氧化处理。
激光扫描：将激光对准试样表面，激光器与工件表面距离差约为280-300mm，待处理区域为试样表面40mm*15mm区域，激光器波长λ1取1000-1100nm，脉宽τ1取20-30ns，能量Q取1-3J，光斑直径D取2-5mm。
微弧氧化处理：脉冲电源1正极与工件5连接，负极与阴极棒2连接，将工件5置于电解槽7内的工件支柱上，使得工件5位于电解液6的液面上方且不与电解液6接触，工件5与电解液6的液面间距为4mm，喷嘴3与阴极棒2嵌套部分作为阴极，电极间距为3mm。获得激光辅助扫描式微弧氧化涂层的试验最优参数为正向电流密度为8-10A/dm2，负向电流密度为4A/dm2，脉冲频率为400-450Hz，占空比为20％-25％，单个周期内正/负向脉冲数之比为1，电解液温度20℃，流速为5L/min，反应时间为10-15min。
电解液的组成为：Na2SiO3 5～15g/L，NaOH 1～4g/L，Na2HPO4 2～6g/L，氮化钛颗粒3～5g/L，溶剂为水。

Claims (5)

1.一种利用扫描式激光辅助微弧氧化装置进行扫描式激光辅助微弧氧化的方法，其特征在于，所述装置包括：电源、阴极棒、喷嘴、激光器、电解槽、循环泵；所述电源正极与待加工的工件连接，电源负极与阴极棒连接；所述喷嘴为中空管状，阴极棒设于喷嘴上部中空的管内，喷嘴与工件之间在垂直位置上相互靠近但不接触；所述循环泵连通电解槽与喷嘴，电解槽中装有电解液，工件位于电解液的液面上方且不与电解液接触；所述激光器设于工件上方，激光器发出的激光角度位置可调；
所述方法为：
将电源正极与待加工的工件连接，电源负极与嵌套在喷嘴内的阴极棒连接，将待加工的工件置于电解槽内的工件支柱上，使得工件位于电解液的液面上方且不与电解液接触，由激光扫描工件表面，并通过喷嘴向工件喷涂电解液，激光器波长λ1取1000-1100nm，脉宽τ1取20-30ns，能量Q取1-3J，光斑直径D取2-5mm，电解液温度为20℃，流速为5L/min，采用激光辐照与微弧氧化同步复合处理工件；
所述电解液的组成为：Na2SiO3 5～15g/L，NaOH 1～4g/L，Na2HPO4 2～6g/L，氮化钛颗粒3～5g/L，溶剂为水；
电参数为：正向电流密度为8～10A/dm2，负向电流密度为4A/dm2，脉冲频率为400～450Hz，占空比为20～25％，单个周期内正/负向脉冲数之比为1。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，扫描式激光辅助微弧氧化装置中，喷嘴与阴极棒嵌套部分与工件之间的间距为2-5mm，喷嘴的喷头设置于电极间距的中部位置。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，扫描式激光辅助微弧氧化装置中，工件与电解液的液面间距为3-5mm。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件为轻合金金属材料。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氮化钛颗粒粒径在10～14nm。
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