微弧氧化是一种在铝、镁、钛及其合金表面原位生长陶瓷膜层的表面改性技术,具有工艺简单、绿色环保,膜层结合力好,硬度高,耐磨耐蚀性能好等优点,但是至今缺少能够比较完整的解释微弧氧化过程中诸多现象并具有指导意义的微弧氧化放电模型;微弧氧化技术在成膜效率上的潜在优势还有待进一步挖掘;微弧氧化加工过程中出现的尖端放电和面积效应两种不利因素,严重影响其在工程中的推广应用,这些都限制了微弧氧化技术的进一步应用。为了扬长避短,合理应用微弧氧化技术的优点,有效规避微弧氧化技术的一些不足,针对上述存在的问题,本文通过大量实验对微弧氧化放电过程尤其是对微弧氧化埋弧氧化现象进行了深入研究。研究了微弧氧化放电和成膜过程。通过对大量实验现象的观察与分析,结合数据的比较,证实在微弧氧化过程中微熔池的存在,它的存在导致了埋弧氧化现象的出现,同时证实了微弧氧化放电过程中电化学放电和等离子体放电相继发生。采用电化学放电和等离子体放电并重研究思路,证实微孔气体放电行为是微弧氧化放电和成膜过程的本质,进一步研究表明,微孔气体放电和工作液液相传质能力之间的矛盾,导致了微弧氧化处理过程中的客观存在着尖端放电和面积效应两种不利因素。在此基础上提出了扫描式微弧氧化方法。研制了扫描式微弧氧化装置。通过对扫描式微弧氧化的放电特征和放电间隙负载特征的分析,基于扫描式微弧氧化恒定负载特性,提出了具有短路保护和抑制电弧放电的电源和伺服策略。研制了由PWM斩波和全桥逆变回路组成的脉冲电源,设计了由人机界面层、检测和控制层、功率放大层和执行层构成的伺服控制系统,以及内冲液式的工作液循环系统。通过对内冲液式管状扫描阴极的约束,使得放电集中在阴极端部与阳极表面相对狭小的空间内,获得几百倍于常规微弧氧化的电流密度,从而实现高效的实时成膜效率,同时有效避免了尖端放电和面积效应的出现。扫描式微弧氧化工艺研究。在微弧氧化放电和膜层生长过程的研究基础上,对实验数据进行了分析,研究了扫描式微弧氧化的极间电压、脉冲频率、占空比等电参数和工作液浓度对陶瓷膜层性能的影响规律,并研究了扫描式微弧氧化特有工艺参数包括放电间隙、扫描次数、扫描速度和扫描重叠率等对陶瓷膜层的影响规律。研究了扫描式微弧氧化方法的放电和成膜特性。扫描式微弧氧化的电压与电流关系与常规微弧氧化方式不同,通电后电压瞬间陡升至稳定电压区,没有经历常规微弧氧化的阳极氧化阶段,但在放电区外部依次为阳极氧化区和钝化区。这揭示了扫描式微弧氧化成膜效率高的内在原因。阳极表面的放电区被约束在阴极投影附近,放电区的膜层生长瞬间完成,然后随着阴极的移动逐渐完成对工件表面的处理,区别于常规微弧氧化膜层整体随时间增厚的现象,扫描次数是影响扫描式微弧氧化膜层厚度的主要因素,但对表面质量影响不大。扫描式微弧氧化放电区轨迹之间的过渡区域的膜层厚度受轨迹重叠率影响。分析了扫描式微弧氧化膜层的组织形貌与性能。研究主要集中在膜层微观组织与结构,硬度、表面粗糙度、耐腐蚀和耐磨等性能。扫描电镜检测表明单次扫描膜层微孔孔径较小,分布均匀,膜层较薄;多次扫描的微弧氧化膜层可明显地区分致密层和疏松层,且致密层比例达到三分之二左右,膜层微孔数目较少,孔径较大。XRD检测反映多次扫描提高了膜层的α-Al2O3比例,激光共聚焦检测结果可以证明膜层表面粗糙度比较均匀。耐蚀性能测试表明单向脉冲扫描式微弧氧化膜层较双向的耐腐蚀性能好。在低速、高速、轻载和重载等条件下,单次扫描微弧氧化膜层摩擦系数较小,多次扫描膜层的摩擦系数稳定时间长,说明具有更好的耐磨损性能。通过对扫描式微弧氧化陶瓷膜层的性能的研究,证实了扫描微弧氧化处理方法的有效性。