等离子体电解氧化过程中阴极微放电的证据
摘要
在双极性脉冲电流模式下,于含氟电解液中对EV 31镁合金进行了等离子体电解氧化(PEO)处理。我们观测并研究了异常的PEO阴极微放电。结果表明,阴极微放电表现出集体间歇性行为,这从层/电解液和层/金属界面处的电荷积累角度进行了讨论。利用光学发射光谱测定了电子密度(典型值10^15 cm^-3)和电子温度(典型值7500 K),同时指出了F^-阴离子对阴极微放电出现的作用。等离子体电解氧化(PEO)是一种有前景的轻金属合金(如Al、Mg、Ti)等离子体辅助表面处理技术。尽管PEO工艺能够生长具有良好耐腐蚀和耐磨性能的氧化物涂层,但涂层生长的物理机制尚未完全明了。通常,该过程包括将浸没在电解液槽中的金属件与对电极之间施加高电压差。与阳极氧化相比,主要区别在于电解液成分以及电流和电压范围,在PEO中这些至少高一个数量级[1]。电流和电压的这些显著差异意味着介电击穿,并因此导致被处理样品表面出现微放电。这些微放电被认为是形成介电多孔结晶氧化物涂层的主要贡献者[2]。然而,支配这些微放电出现的击穿机制仍在研究中。Hussein等人[3]基于等离子体化学成分的差异提出了一种具有三种不同等离子体形成机制的机理。Jovovi{\'c}等人[4,5]关于等离子体物理特性的结果似乎证实了该机理,并且还指出了基底材料在等离子体成分中的重要性[6]。与直流PEO工艺相比,使用双极性脉冲直流或交流电源通过电流波形参数提供了补充控制自由度。这些参数对微放电行为的影响已在先前若干工作中进行了研究[2,3,7,8]。这些研究的主要结果之一是在阴极电流半周期内没有微放电[9-11]。即使阴极半周期对PEO的效率以及涂层生长和成分有明显影响,微等离子体也仅出现在阳极半周期。Sah等人[8]观测到了氧化物层的阴极击穿,但是在非常高电流密度(10 kA·dm^-2)下,且经过样品制备的若干步骤后。已有若干关于交流电流中微放电出现的模型被提出[1,2,8,12,13]。尽管在通常工艺条件下从未观测到阴极微放电,本研究旨在确定促进阴极微放电的合适条件并研究这些微等离子体的主要特征。
引用
@article{arxiv.1902.09828,
title = {The Evidence of Cathodic Micro-discharges during Plasma Electrolytic Oxidation Process},
author = {A. Nominé and J. Martin and C. Noel and G. Henrion and T. Belmonte and I. Bardin and V. Kovalev and A. Rakoch},
journal= {arXiv preprint arXiv:1902.09828},
year = {2019}
}