随着航空、航天事业的发展,轻量化设计已成为发展趋势。铝合金以比强度高、密度小、塑性好、无低温脆性等优点,现已被广泛应用于航空航天、汽车、机械等领域。然而未经强化处理的铝合金硬度低,且在空气中易氧化成疏松状氧化膜,无法满足某些应用场合的耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗温度急变等需求,因此必须对其进行防护处理。微弧氧化是一种表面陶瓷化新型技术,该技术可在Al、Mg、Ti等轻金属及其合金表面原位生长出一层致密的陶瓷层,陶瓷层与基体结合牢固,结构致密,韧性高,具有良好的耐磨损、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性,克服了其他同类技术的不足。微弧氧化研究虽然取得了阶段性的成果,但高能耗问题仍然限制其大规模产业化发展。为了降低微弧氧化工艺的能耗并获得综合性能较优的陶瓷层,本课题对阳极放置方式、阴极对称性(阴极数量)、阴极通透性(阴极结构)和阴阳极之间的电极距离进行了大量试验研究,并在实验次数较多且具有危险性的电极距离研究阶段引入有限元软件进行辅助分析,分别采用SEM、XRD、EDS检测陶瓷层的显微结构、相结构和成分含量,得出以下结论:　　阳极放置方式对微弧氧化放电特性的影响研究表明,阳极采用横向和竖向两种方式进行微弧氧化时,所获得的陶瓷层综合性能(陶瓷层厚度、不均匀性、表面形貌、显微硬度等)存在一定的差异,与阳极竖向放置方式相比,横向放置模式下的陶瓷层生长速率更为快速,最终所获得的较厚的陶瓷层,且中心与边角的膜厚比更接近1,陶瓷层表面流畅度更高,热稳定相α-Al2O3含量更高。两种放置方式对放电特性参数的影响规律也不尽相同,起弧电压几乎不受阳极放置方式的影响,稳定电压值大小相近,但仍存在5V左右差值。所需的平均制备能耗存在很大差异,除了能耗曲线变化趋势不一致之外,阳极采用横向放置时的能耗明显较小。　　变阴极结构(阴极数量和形状)微弧氧化放电行为表明,在单、双两种阴极模式下,采用双阴极对称模式时更易起弧,但其所需的稳定电压整体高于单阴极。与单阴极模式相比,双阴极电极模式下陶瓷层表面微弧放电更为剧烈,制备的陶瓷层厚度厚且数值分散性小,平均制备能耗较小。采用单阴极时,阳极试样背对阴极的一面生成的陶瓷层厚度大于正对阴极的一面。在电极距离(50 mm)较大的情况下,网状阴极功效较微弱。与板状阴极相比,网状阴极模式下制备的陶瓷层厚度和所需的制备能耗无太大差距,但稳定电压有所下降,陶瓷层表面存在的微裂纹稍多,显微硬度也相对较低。　　电极距离对微弧氧化放电特性的影响研究表明,电极距离为70 mm、50 mm和30 mm时,有限元电压及电场强度分布云图与实验总结的数据图高度一致,即:在其它参数一定的情况下,随着阴阳极间距逐步减小,溶液表面的分压逐渐减小,电场强度逐渐增强。电极距离缩减为10 mm时,电压与电场强度的模拟与实验产生分歧,导致这种差异最可能的原因是“气罩效应”。观察另一种形式下的电场强度分布发现,常规实验中经常被检测出的“边角效应”,在有限元模拟的过程中精确的体现出来。实验研究其它放电特性发现,随着电极距离的减小,起弧电压明显下降,且降低幅度逐渐增大。电极距离不断变化的过程中,膜层表面形貌的变化类似一个循环。恒压模式下,阴阳极间距在30 mm~70 mm范围内时,电极间距减小,平均氧化电流升高,而阴阳极间距取10 mm时,平均氧化电流反而降低。通过使用网状阴极能够实现微距微弧氧化,该模式下的微弧氧化放电未出现异常,即随着电极距离的减小,稳定电压逐渐降低,氧化电流逐渐增大。