钛合金等离子体电解氧化过程中陶瓷膜阻抗特性研究

论文摘要

等离子体电解氧化(PEO)陶瓷膜层的生长过程存在着电阻以及电容等阻抗特性的变化,这种阻抗特性的变化与陶瓷膜的结构以及PEO过程中放电方式的变化密切相关,因此通过研究陶瓷膜层生长过程中阻抗特性的变化,特别是从微弧到弧放电阶段,就可以实现对PEO过程的各个阶段的监控,这对于制备和获得高质量高性能的膜层具有重要的指导意义。本文采用电化学阻抗(EIS)技术与扫描电镜等形貌观察相结合,对钛合金表面PEO陶瓷膜在各个生长阶段的阻抗特性进行了研究,最后通过对PEO反应过程中的电压电流响应的在线测量,获取反应过程中的等效电阻与等效电容等动态阻抗的相关信息并建立其与反应过程中各阶段的联系,通过动态阻抗特性的变化来实现对各个阶段的监控。同时本文还对陶瓷膜在不同溶液中进行了动电位极化测试,分别用于陶瓷膜的EIS拟合结果的验证以及陶瓷膜的耐蚀性能的研究。以TC4钛合金在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为为例,详细的分析了充电电流对极化曲线的形状以及动力学参数的影响。由于充电电流与扫描速率和扫描方向有关,对于Ti6Al4V与PEO陶瓷膜,可以分别在0.5mV/s和0.05mV/s的扫描速率下通过对正反向扫描过程中的外测电流取平均值的方法有效地减弱充电电流的干扰。通过对PEO陶瓷膜在铝酸钠工作液中直接进行电化学阻抗谱测试来研究膜层在生长过程中的阻抗特性的变化以及工艺参数的影响,结果表明:在火花阶段,随处理电压的升高,PEO陶瓷膜的致密程度增加,在工作液中的极化电阻值、电容值均增加,在微弧阶段,大火花放电对膜层具有一定的破坏作用,导致膜层的极化电阻值变小,但电容值明显增加。直流电源模式下,随电流密度的增加,陶瓷膜在工作液中的极化电阻值增加;火花阶段陶瓷膜疏松层的结构受电流密度的影响很小,陶瓷膜在工作液中的电容值也基本不变;微弧阶段陶瓷膜疏松层的结构受电流密度影响很大,电容值随电流密度的增加而增加。单向脉冲模式下很容易发生弧放电,严重的破坏了膜层的致密程度,使得陶瓷膜在工作液中的极化电阻值与电容值均减小;随电源峰值电流密度的增加、频率的提高以及占空比的减小,发生弧放电时的电压提高。单向脉冲模式下PEO反应过程电源波形的测试结果表明:在单个脉冲周期内,电压阶跃很快就能完成,但是电流随时间而成指数衰减至稳定的数值,电流衰减速度随处理电压的变化可以分为三个阶段,分别与PEO膜层生长过程中的火花阶段、微弧阶段以及弧放电阶段的电压范围相对应,据此可以对膜层的生长过程进行监测。对电流衰减曲线进行拟合,结果表明:在火花阶段,放电通道的底部非常接近或者直接与基体相接触,进入微弧阶段之后,放电通道的底部与基体之间被逐渐分隔开来;PEO反应过程中动态电阻的数值在发生弧放电之前随处理电压的升高而增加,弧放电的发生则使得动态电阻的数值减小,动态电容在火花阶段随处理电压的升高而减小,在微弧阶段则开始增加,进入弧放电之后又开始减小。本文还对Ti6Al4V经过PEO处理之后的耐蚀性能进行了研究,结果表明在3.5%的NaCl溶液中PEO陶瓷膜的腐蚀电流密度比基体合金降低了一个数量级。火花阶段的陶瓷膜的耐蚀性能随处理电压的提高而增强,但是发生大火花放点之后,陶瓷膜的耐蚀性能下降。对于单向脉冲模式下制备的陶瓷膜,随频率的增加、占空比的降低,陶瓷膜的耐蚀性能增加。电源参数对PEO陶瓷膜耐蚀性能的影响与陶瓷膜在工作液中EIS拟合结果的内层电阻的变化相一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 等离子体电解氧化技术
• 1.1.1 等离子体电解氧化技术的发展历程
• 1.1.2 等离子体电解氧化的过程
• 1.1.3 等离子体电解氧化电源
• 1.1.4 等离子体电解氧化电解液
• 1.1.5 等离子体电解氧化在钛合金表面改性中的应用
• 1.2 等离子体电解氧化机理的研究现状
• 1.3 电化学阻抗谱技术
• 1.3.1 EIS技术的应用
• 1.3.2 EIS在PEO陶瓷膜研究中的应用现状
• 1.4 选题的目的意义及主要研究内容
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 等离子体电解氧化直流电源
• 2.2.2 等离子体电解氧化单向脉冲电源
• 2.2.3 等离子体电解氧化装置
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 陶瓷膜的电化学测试
• 2.3.2 组成与结构分析
• 2.3.3 工作液分析
• 2.3.4 电源参数的测定
• 第3章 低腐蚀速率下动电位极化测试方法的改进
• 3.1 理论分析
• 3.2 基体TC4 的动电位极化测试
• 3.2.1 开路电位
• 3.2.2 电化学阻抗谱
• 3.2.3 动电位极化曲线
• 3.2.4 充电电流干扰的消除
• 3.3 PEO陶瓷膜的动电位极化测试
• 3.3.1 PEO陶瓷膜在NaCl溶液中的动电位极化
• 3.3.2 PEO陶瓷膜在工作液中的动电位极化测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 直流模式下陶瓷膜的结构及阻抗特性
• 4.1 陶瓷膜的制备与表征
• 4.1.1 槽压时间曲线
• 4.1.2 陶瓷膜的形貌分析
• 4.1.3 陶瓷膜的元素与相组成分析
• 4.2 电解液的组成分析
• 4.3 陶瓷膜在工作液中的EIS测试
• 4.3.1 陶瓷膜在工作液中的开路电位
• 4.3.2 陶瓷膜在工作液中的电化学阻抗谱
• 4.3.3 陶瓷膜在工作液中的极化曲线
• 4.4 电流密度对陶瓷膜结构及阻抗特性的影响
• 4.4.1 电流密度对陶瓷膜结构的影响
• 4.4.2 电流密度对陶瓷膜阻抗特性的影响
• 4.5 陶瓷膜的耐蚀性能
• 4.6 本章小结
• 第5章 单向脉冲下陶瓷膜的结构及阻抗特性
• 5.1 陶瓷膜的制备与表征
• 5.1.1 槽压时间曲线
• 5.1.2 陶瓷膜的形貌分析
• 5.1.3 陶瓷膜的元素与相组成分析
• 5.2 陶瓷膜在工作液中的EIS测试
• 5.2.1 陶瓷膜在工作液中的开路电位
• 5.2.2 陶瓷膜在工作液中的电化学阻抗谱
• 5.2.3 陶瓷膜在工作液中的极化曲线
• 5.3 峰值电流密度对陶瓷膜结构及阻抗特性的影响
• 5.3.1 峰值电流密度对陶瓷膜结构的影响
• 5.3.2 峰值电流密度对陶瓷膜阻抗特性的影响
• 5.4 电源频率对陶瓷膜结构及阻抗特性的影响
• 5.4.1 电源频率对陶瓷膜结构的影响
• 5.4.2 电源频率对陶瓷膜阻抗特性的影响
• 5.5 占空比对陶瓷膜结构及阻抗特性的影响
• 5.5.1 占空比对陶瓷膜结构的影响
• 5.5.2 占空比对陶瓷膜阻抗特性的影响
• 5.6 陶瓷膜的耐蚀性能
• 5.7 本章小结
• 第6章 PEO过程中动态阻抗的在线分析
• 6.1 等效电路模型的建立
• 6.1.1 PEO反应初期的电源波形分析
• 6.1.2 PEO反应后期的电源波形分析
• 6.2 不同电源参数下的PEO反应过程中的动态阻抗
• 6.2.1 动态阻抗随处理电压的变化
• 6.2.2 电流密度对动态阻抗的影响
• 6.2.3 电源频率对动态阻抗的影响
• 6.2.4 占空比对动态阻抗的影响
• 6.3 PEO过程的监测
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历