由于等離子體電解氧化陶瓷膜的硬度高，可加工性差，因此研究被處理部件表面陶瓷膜在等離子體電解氧化過(guò)程中的幾何尺寸變化規(guī)律，以及尺寸隨工藝參數(shù)的變化情況對(duì)于處理之前的半成品加工以及處理后成品件的尺寸精度保證具有實(shí)際意義。
在處理液、基體材料和電源波形固定的情況下，影響陶瓷膜尺寸變化的主要工藝參數(shù)就是處理時(shí)間和電流密度。嘗試性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流密度過(guò)大時(shí)，等離子體電解氧化反應(yīng)非常強(qiáng)烈，伴隨著強(qiáng)烈的爆鳴聲，在時(shí)間很短的情況下試樣表面出現(xiàn)黑色物質(zhì)，這是由于放電瞬間能量過(guò)大而使陶瓷層產(chǎn)生過(guò)燒，我們將電流密度定為30 A/dm2；如果電流密度過(guò)小，則增大了反應(yīng)的時(shí)間，降低了處理效率，而且容易使鋁基體升溫過(guò)高而影響反應(yīng)，所以，選定最小電流密度為5 A/dm2。當(dāng)試樣表面產(chǎn)生紅色固定的大火花或有較大爆鳴聲時(shí)，對(duì)陶瓷層有很大破壞作用，因此，處理時(shí)間確定在試樣表面產(chǎn)生紅色固定的大火花和較大爆鳴聲之前。下面分別討論處理時(shí)間和電流密度對(duì)陶瓷膜總厚度和向內(nèi)向外生長(zhǎng)厚度的影響。
一、電流密度對(duì)陶瓷層厚度的影響
實(shí)驗(yàn)中我們分別測(cè)定了5 min、10 min、28 min三種固定時(shí)間條件下等離子體電解氧化陶瓷層厚度隨著電流密度的變化情況。由圖4-20可以看出，當(dāng)處理時(shí)間較短時(shí)(5 min、10 min)，等離子體電解氧化陶瓷層的厚度隨著電流密度的增加而增加；而處理時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)(28 min)，等離子體電解氧化陶瓷層的厚度先達(dá)到一個(gè)極值，然后隨著電流密度的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。即在大電流密度和長(zhǎng)時(shí)間的作用下，等離子體電解氧化陶瓷層的厚度反而減小。
我們認(rèn)為，這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間使用較大電流密度對(duì)試樣進(jìn)行等離子體電解氧化時(shí)，強(qiáng)烈的能量輸入使試樣表面的反應(yīng)過(guò)于激烈。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以看到試樣表面產(chǎn)生固定的紅色大火花并有爆鳴聲，對(duì)陶瓷層產(chǎn)生了減薄破壞作用。
二、處理時(shí)間對(duì)陶瓷層厚度的影響
圖4-21顯示了在實(shí)驗(yàn)所選擇的各種電流密度條件下等離子體電解氧化陶瓷層厚度隨著處理時(shí)間的變化情況。可以看出，在所采用的各種電流密度下，等離子體電解氧化陶瓷層厚度隨著處理時(shí)間的變化趨勢(shì)是一樣的，即陶瓷層厚度先隨著處理時(shí)間的增長(zhǎng)達(dá)到一值，然后陶瓷層厚度具有減小的趨勢(shì)。不同電流密度條件下達(dá)到極值點(diǎn)所需的時(shí)間不同，厚度極值點(diǎn)也有所差異。圖4-21還顯示出，隨著電流密度的增加，厚度達(dá)到極值點(diǎn)所需的時(shí)間在減小。本實(shí)驗(yàn)厚度的陶瓷層是在電流密度為15 A/dm2、處理時(shí)間為28 min的條件下獲得的。
三、陶瓷層的形貌分析
圖4-22所示為復(fù)合膜層的截面形貌，其中圖4-22(b)為圖4-22(a)中陶瓷層與鋁基體結(jié)合部位的局部放大。可以看出陶瓷層較為致密，具有明顯的內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，膜層與基體之間沒(méi)有清晰的分界線，結(jié)合很好，界面上不存在大的孔洞。圖4-22(b)中，A為內(nèi)部緊貼基體的致密層，組織致密，與基體之間結(jié)合緊密，沒(méi)有貫穿性的孔洞存在；C為陶瓷層外側(cè)的較為疏松的組織，在最靠近最外側(cè)的地方還存在一些類(lèi)似粉體的局部區(qū)域；B為外部疏松層向內(nèi)部致密層過(guò)渡的部分。等離子體電解氧化過(guò)程中，試樣表面的狀態(tài)發(fā)生了很大的變化。圖4-23為處理時(shí)間為45 s，試樣表面還沒(méi)有產(chǎn)生火花前等離子體電解氧化陶瓷層表面形貌，圖4-23(b)為圖4-23(a)的局部放大。由于處理時(shí)間較短(45 s)，試樣表面被砂紙打磨過(guò)的劃痕還比較清晰。在高倍數(shù)條件下觀察，如圖我們可以看到試樣表面出現(xiàn)了一些平均直徑不到1μm的小孔洞，在孔洞周?chē)型黄鸬?ldquo;山坡”狀物質(zhì)出現(xiàn)，如4-23(b)所示。可見(jiàn)，沒(méi)有產(chǎn)生火花之前，試樣表面已經(jīng)出現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物。
圖4-24是等離子體電解氧化過(guò)程中不同時(shí)間陶瓷層的表面形貌，其中右側(cè)為左側(cè)的局部放大像，處理時(shí)間分別為：(a)10 min，(b)15 min，(c)20 min，(d)25 min，(e)35min。各圖中試樣表面所遍布的黑色圓點(diǎn)即為放電通道。從圖4-28各圖中可以清晰的看到圓形放電通道“火山口”周?chē)腥廴谖锢鋮s堆積所形成的“山坡”痕跡。我們使用放大倍數(shù)為1000×的SEM圖像來(lái)分析放電孔孔徑的尺寸變化，將具有代表性的特征區(qū)域放大后，取5個(gè)大小均勻的特征孔徑進(jìn)行測(cè)量，可以看出，放電孔孔徑的大小隨著處理時(shí)間的增加而逐漸變大，單位面積上放電孔的個(gè)數(shù)逐漸減少。
四、陶瓷層的成分分析(EDS)
對(duì)等離子體電解氧化陶瓷層進(jìn)行了EDS線掃描，發(fā)現(xiàn)陶瓷層主要含Al、Si、O、P四種元素，左側(cè)截面形貌中所標(biāo)的黑色線條為掃描軌跡。Al、Si、O、P四種元素的分布如圖4-25所示。可以看出，O元素含量在陶瓷層不同深度的差別不大；Al元素掃描線明顯的出現(xiàn)臺(tái)階，較高處對(duì)應(yīng)基體噴涂鋁層，等離子體電解氧化陶瓷層中鋁的含量變化不大；Si元素和P元素的含量由內(nèi)向外逐漸升高，尤其是外部疏松層中出現(xiàn)較高的Si含量。這說(shuō)明處理液成分的一部分進(jìn)入到了膜層的疏松層當(dāng)中，參與了膜層生成。對(duì)膜層外部和內(nèi)部及其過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行的EDS點(diǎn)分析結(jié)果如圖4-26所示，分別對(duì)應(yīng)圖25中的A、B、C三點(diǎn)。比較各圖中的特征峰強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，由基體至外部膜層，O元素含量差別不大，均為28。62 at%左右；Al元素的含量出現(xiàn)明顯的變化，可以推測(cè)部分基體Al溶解進(jìn)入處理液當(dāng)中，這表明陶瓷層的生長(zhǎng)的同時(shí)還有基體溶解的過(guò)
程；Si元素則與Al元素相反，在C點(diǎn)處達(dá)到了58。63 at%，這與上面的成分線分析完全一致。膜層內(nèi)外層中P元素含量都較低，這反映了溶液當(dāng)中離子參與等離子體電解氧化物理化學(xué)反應(yīng)的程度并不相同。同時(shí)，由于溶液離子可以通過(guò)反應(yīng)滲入膜層當(dāng)中，預(yù)示著我們可以通過(guò)改變處理溶液的成分、濃度等參數(shù)來(lái)調(diào)整陶瓷層的相組成，生長(zhǎng)出摻有所需元素的氧化膜，使膜具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。
五、陶瓷層的相組成分析
為了解等離子體電解氧化過(guò)程中陶瓷層的相組成變化情況，我們對(duì)各個(gè)處理時(shí)間的等離子體電解氧化試樣進(jìn)行了相分析，時(shí)間分別為：(a)45 s，(b)10 min，(c)15 min，(d)20 min，(e)25 min，(f)35 min，相分析結(jié)果如圖4-27所示。
可見(jiàn)，產(chǎn)生火花之前，膜層主要由Al2O3的含水化合物組成，這層膜很薄，因此顯現(xiàn)出很強(qiáng)的基體鋁的衍射峰；隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，陶瓷層的主要成分由各種晶形的Al2O3組成，包括α-Al2O3、γ-Al2O3、θ-Al2O3和非晶態(tài)Al2O3。根據(jù)前面所做的等離子體電解氧化陶瓷層的截面形貌可以看出，等離子體電解氧化陶瓷層由緊貼基體的致密層和外部的疏松層組成，為了對(duì)比陶瓷層內(nèi)層和外層的組成差別，我們選擇較厚的陶瓷層，用水砂紙打磨去表面的疏松層，對(duì)剩余的陶瓷層進(jìn)行了相分析，并與表面疏松層的衍射分析結(jié)果相比較，結(jié)果如圖4-28所示。
可以看出，微弧氧化陶瓷層致密層與疏松層的相組成相對(duì)來(lái)說(shuō)變化不是特別顯著，主要存在兩個(gè)方面的差異：致密層中的α-Al2O3相比疏松層的α-Al2O3相有所增多；致密層中的非晶態(tài)Al2O3相比疏松層的非晶態(tài)Al2O3相減少。
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