微弧氧化（Micro-arcOxidation，MAO），又稱微等離子體氧化（Micro-plasmaOxidation，MPO）、陽(yáng)極火花沉積（Anode Spark Deposition，ASD)、等離子體增 強(qiáng)電化學(xué)表面陶瓷化（Plasma Enhance Electrochemical Surface Ceramic coating， PECC)等技術(shù)，是一種鋁、鎂、鈦及其合金表面在電解液中依賴外加電場(chǎng)使其表 面原位反應(yīng)生成自身金屬氧化物的新技術(shù)。圖 1 是微弧氧化設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖，從 圖中可以看出將鋁、鎂合金制品做陽(yáng)極，不銹鋼做陰極，置于脈沖電場(chǎng)環(huán)境的電 解液中，樣品表面因受端電壓作用而發(fā)生等離子體放電，所產(chǎn)生的高溫高壓條件使微區(qū)的鋁、鎂原子與溶液中的氧結(jié)合生成與基體以冶金方式結(jié)合的氧化鋁或氧化鎂陶瓷層。

圖 1 微弧氧化設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

        鋁、鎂、鈦等合金樣品放入電解液中，通電后表面立即生成很薄一層氧化物絕緣層，這屬于普通陽(yáng)極氧化階段，當(dāng)電極間電壓超過(guò)某一臨界值時(shí)，氧化膜某些薄 弱部位被擊穿，發(fā)生微區(qū)弧光放電現(xiàn)象，溶液里的樣品表面能觀察到無(wú)數(shù)游動(dòng)的弧 點(diǎn)。由于擊穿總是在氧化膜相對(duì)薄弱的部位發(fā)生，當(dāng)氧化膜被擊穿后，在膜內(nèi)部形成放電通道。初始一段時(shí)間后，樣品表面游動(dòng)弧點(diǎn)較大，部分熔融物向外噴出，形成孔隙率高的疏松層。隨著氧化時(shí)間延長(zhǎng)，膜厚度增加，擊穿變得越來(lái)越困難， 試樣表面較大的弧點(diǎn)逐漸消失，可看見(jiàn)大量細(xì)碎火花。這時(shí)膜內(nèi)部微弧放電仍在進(jìn)行，使氧化膜繼續(xù)向內(nèi)部生長(zhǎng)，形成致密層。此時(shí)，一方面，疏松層阻擋致密層內(nèi)部放電時(shí)熔融物進(jìn)入溶液，使其盡量保留在致密層內(nèi)；另一方面， 疏松 層外表面同溶液保持著溶解和沉積平衡，使疏松層厚度維持基本不變。電解質(zhì)離 子進(jìn)入氧化膜后，形成雜質(zhì)放電中心，產(chǎn)生等離子放電，使氧離子、電解質(zhì)離子與基體金屬?gòu)?qiáng)烈結(jié)合，同時(shí)放出大量的熱，使形成的氧化膜在基體表面熔融、燒結(jié)，形成 具陶瓷結(jié)構(gòu)的膜層。圖 2 是鎂合金樣品表面微弧放電狀態(tài)隨通電時(shí)間的變化。

圖 2 鎂合金微弧氧化不同時(shí)刻的樣品表面狀態(tài)

        微弧氧化的反應(yīng)現(xiàn)象包含以下幾個(gè)基本過(guò)程：陽(yáng)極氧化階段、火花放電階段、微弧氧化階段和熄弧階段。

        (1)陽(yáng)極氧化階段：將樣品置于一定的電解液中，通電加壓后，樣品表面和陰極表面出現(xiàn)無(wú)數(shù)細(xì)小均勻的白色氣泡，而且隨電壓增加，氣泡逐漸變大變密， 生成速度也不斷加快。在達(dá)到擊穿電壓之前，這種現(xiàn)象一直存在，這一階段就是陽(yáng) 極氧化階段。在該階段，電壓上升很快，但電流變化很小。電壓較低時(shí)，樣品表面形成一層很薄的氧化膜；但隨著電壓的升高，氧化膜的溶解速度也變快，有時(shí)甚至?xí)?部分基體溶解，所以應(yīng)盡量縮短陽(yáng)極氧化階段。

        (2)火花放電階段：當(dāng)施加到樣品的電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，樣品表面開(kāi)始出現(xiàn)無(wú)數(shù)細(xì)小、亮度較低的火花點(diǎn)。這些火花點(diǎn)密度不高，無(wú)爆鳴聲，這一階段屬于 火花放電階段。在該階段，樣品表面開(kāi)始形成不連續(xù)的微弧氧化膜，但膜層生長(zhǎng)速 率很小，硬度和致密度較低，所以對(duì)最終形成的膜層貢獻(xiàn)不大，也應(yīng)盡量減少這一階段的時(shí)間。

        (3)微弧氧化階段：進(jìn)入火花放電階段后，隨著電壓繼續(xù)增加，火花逐漸變大變亮，密度增加。隨后，樣品表面開(kāi)始均勻地出現(xiàn)放電弧斑。弧斑較大、密度較高，隨電流密度的增加而變亮，并伴有強(qiáng)烈的爆鳴聲，此時(shí)進(jìn)入微弧氧化階段。火花 放電階段與微弧氧化階段緊密銜接，兩者很難明確劃分。在微弧氧化階段，隨時(shí)間的延 長(zhǎng)，樣品表面細(xì)小密集的弧斑逐漸變得大而稀疏，同時(shí)電壓緩慢上升， 電流逐漸下降， 弧點(diǎn)較密集的階段，對(duì)氧化膜的生長(zhǎng)最有利，膜層的大部分在此階段形成，弧點(diǎn)較稀疏的階段，對(duì)氧化膜的生長(zhǎng)貢獻(xiàn)不大，但可以提高氧化膜的致密性并降低表面粗糙 度。微弧氧化階段是形成陶瓷膜的主要階段，對(duì)氧化膜的最終厚度、膜層表面質(zhì)量和 性能都起到?jīng)Q定性作用。考慮到該階段在整個(gè)微弧氧化過(guò)程中的重要性，在保證膜層質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量延長(zhǎng)該階段的作用時(shí)間。

        (4)熄弧階段(或弧光放電階段)：微弧氧化階段末期，電壓達(dá)到最大值，氧化 膜的生長(zhǎng)將出現(xiàn)兩種趨勢(shì)。一種趨勢(shì)是樣品表面的弧點(diǎn)越來(lái)越稀疏并最終消失，爆鳴聲停止，表面只有少量的細(xì)碎火花，這些火花最終會(huì)完全消失，微弧氧化過(guò)程也隨之結(jié)束。這一階段稱為熄弧階段。另一種趨勢(shì)是樣品表面的弧點(diǎn)幾乎完全消失，同時(shí)其它一個(gè)或幾個(gè)部位突然出現(xiàn)較大的弧斑，這些較大的弧斑光亮刺眼，可以長(zhǎng)時(shí) 間保持不動(dòng)，并且產(chǎn)生大量氣體，爆鳴聲增強(qiáng)，該階段稱為弧光放電階段。樣品表面發(fā)生弧光放電時(shí)，氧化膜會(huì)遭到破壞，基體也會(huì)出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，因此弧光放電階段對(duì)于氧化膜的形成尤為不利，在實(shí)際操作中應(yīng)盡量避免該現(xiàn)象的發(fā)生。

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