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)就是處理時間和電流密度。嘗試性實驗發(fā)現(xiàn)，當電流密度過大時，等離子體電解氧化反應非常強烈，伴隨著強烈的爆鳴聲，在時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大而使陶瓷層產(chǎn)生過燒，我們將電流密度定為30 A/dm2；如果電流密度過小，則增大了反應的時間，降低了處理效率，而且容易使鋁基體升溫過高而影響反應，所以，選定最小電流密度為5 A/dm2。當試樣表面產(chǎn)生紅色固定的大火花或有較大爆鳴聲時，對陶瓷層有很大破壞作用，因此，處理時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間和電流密度對陶瓷膜總厚度和向內(nèi)向外生長厚度的影響。
一、電流密度對陶瓷層厚度的影響
實驗中我們分別測定了5 min、10 min、28 min三種固定時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，當處理時間較短時(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；而處理時間相對較長時(28 min)，等離子體電解氧化陶瓷層的厚度先達到一個極值，然后隨著電流密度的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢。即在大電流密度和長時間的作用下，等離子體電解氧化陶瓷層的厚度反而減小。
我們認為，這是因為長時間使用較大電流密度對試樣進行等離子體電解氧化時，強烈的能量輸入使試樣表面的反應過于激烈。實驗時可以看到試樣表面產(chǎn)生固定的紅色大火花并有爆鳴聲，對陶瓷層產(chǎn)生了減薄破壞作用。
二、處理時間對陶瓷層厚度的影響
圖4-21顯示了在實驗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間的變化趨勢是一樣的，即陶瓷層厚度先隨著處理時間的增長達到一值，然后陶瓷層厚度具有減小的趨勢。不同電流密度條件下達到極值點所需的時間不同，厚度極值點也有所差異。圖4-21還顯示出，隨著電流密度的增加，厚度達到極值點所需的時間在減小。本實驗厚度的陶瓷層是在電流密度為15 A/dm2、處理時間為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)外兩層結構，膜層與基體之間沒有清晰的分界線，結合很好，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，與基體之間結合緊密，沒有貫穿性的孔洞存在；C為陶瓷層外側的較為疏松的組織，在最靠近最外側的地方還存在一些類似粉體的局部區(qū)域；B為外部疏松層向內(nèi)部致密層過渡的部分。等離子體電解氧化過程中，試樣表面的狀態(tài)發(fā)生了很大的變化。圖4-23為處理時間為45 s，試樣表面還沒有產(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。由于處理時間較短(45 s)，試樣表面被砂紙打磨過的劃痕還比較清晰。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，在孔洞周圍有突起的“山坡”狀物質(zhì)出現(xiàn)，如4-23(b)所示。可見，沒有產(chǎn)生火花之前，試樣表面已經(jīng)出現(xiàn)反應產(chǎn)物。
圖4-24是等離子體電解氧化過程中不同時間陶瓷層的表面形貌，其中右側為左側的局部放大像，處理時間分別為：(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”周圍有熔融物冷卻堆積所形成的“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個大小均勻的特征孔徑進行測量，可以看出，放電孔孔徑的大小隨著處理時間的增加而逐漸變大，單位面積上放電孔的個數(shù)逐漸減少。
四、陶瓷層的成分分析(EDS)
對等離子體電解氧化陶瓷層進行了EDS線掃描，發(fā)現(xiàn)陶瓷層主要含Al、Si、O、P四種元素，左側截面形貌中所標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)臺階，較高處對應基體噴涂鋁層，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。這說明處理液成分的一部分進入到了膜層的疏松層當中，參與了膜層生成。對膜層外部和內(nèi)部及其過渡區(qū)域進行的EDS點分析結果如圖4-26所示，分別對應圖25中的A、B、C三點。比較各圖中的特征峰強度發(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，可以推測部分基體Al溶解進入處理液當中，這表明陶瓷層的生長的同時還有基體溶解的過
程；Si元素則與Al元素相反，在C點處達到了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，這反映了溶液當中離子參與等離子體電解氧化物理化學反應的程度并不相同。同時，由于溶液離子可以通過反應滲入膜層當中，預示著我們可以通過改變處理溶液的成分、濃度等參數(shù)來調(diào)整陶瓷層的相組成，生長出摻有所需元素的氧化膜，使膜具有較強的適應性。
五、陶瓷層的相組成分析
為了解等離子體電解氧化過程中陶瓷層的相組成變化情況，我們對各個處理時間的等離子體電解氧化試樣進行了相分析，時間分別為：(a)45 s，(b)10 min，(c)15 min，(d)20 min，(e)25 min，(f)35 min，相分析結果如圖4-27所示。
可見，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)出很強的基體鋁的衍射峰；隨著處理時間的延長，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，對剩余的陶瓷層進行了相分析，并與表面疏松層的衍射分析結果相比較，結果如圖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來說變化不是特別顯著，主要存在兩個方面的差異：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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