钛合金表面阴极微弧液相碳氮共渗工艺的研究(2)

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1.2 等离子体电解沉积

1.2.1 等离子体

等离子体（Plasma）一词是1929年Tomsan和Langmuir在研究气体放电中的振荡时，首先用来描述带电离子集合体的一个名词[10]。等离子体是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是有别于固态、液态、气态的物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。

等离子体在宏观上呈电中性，由于整个等离子体系中含有大量的离子和电子，且浓度很高，所以具有很高的电导率。相对于物理、化学反应，等离子体反应更容易进行[11]。

1.2.2 等离子体电解沉积技术简介论文网

等离子体电解沉积[12]( plasmae lectrolytic depos-ition, PED )技术是一种近年来得到飞速发展的材料表面改性技术，是利用等离子体电解对材料表面进行改性或者在材料表面获得一定厚度的涂层。在特定的电解液中, 如果阴阳两极之间的电压超过一定的范围, 就会发生放电现象, 放电时在电解液中会产生有别于固态、液态、气态的物质的第四态“等离子体态”, 这类电解可以称为等离子体电解( plasmae lectrolysis) [12]。等离子体电解发生时，试样作为一个电极，辅助电极作为另一极，在两极之间施加适当的电压，当电压超过某一临界值时，反应电极与电解液接触界面处的电势就会发生突变而产生很高的电场强度，能够击穿界面处的钝化膜或者气体等电介质，可以使电极表面局部瞬间达到一个较高的温度并发生复杂的物理和化学反应，从而在电极表面生成具有特定性能的陶瓷层或渗透层[13-15]。在结构材料应用方面，能够利用PED技术在铝合金、钛合金、镁合金等轻金属的表面制备陶瓷层，可以对钢铁基体进行快速碳氮共渗或涂覆金属镀层，来提高这些材料的抗摩擦、耐腐蚀等性能。选择适当的电解液，可以制备BaTiO3、SrTiO3、NaTaO3、SrZrO3等钙钛矿结构薄膜。利用有机溶液进行高电压电解，可以制备类金刚石（DLC）薄膜、氮化碳等高性能的材料[13]。

等离子体电解现象发现的很早，但直到20世纪60年代才由McNiell和Gruss等人在镉阳极实现了表面铌酸镉（Cadmium niobate）沉积[16-17]，并对放电现象进行了研究。20世纪70年代，Markov和他的同事们对铝阳极的弧放电进行了研究[18]。从20世纪80年代，人们开始对不同金属表面的等离子体电解行为进行详细的研究。我国对等离子体电解的研究开始于20世纪90年代[19]。后来，科研工作者把此类具有共同原理的等离子体电解工艺，包括等离子体电解氧化（PEO）和等离子体电解渗透（PES）统称为Plasma Electrolytic Deposition（PED），即等离子体电解沉积[20]。

1.2.3 等离子体电解放电过程及现象论文网

图1.1是等离子体电解发生时电压增加过程中电极间电压电流特性曲线图。从图中可以看出，具体过程可以分为四个阶段[21]：

第一个阶段：打开电源，电压从零开始逐渐增大，电流也随之逐渐增大，这个过程基本符合欧姆定律，电流的热效应使得电极附近的电解液温度急剧升高并气化，而电极的作用会使电极周围的部分电解液发生电解，电解产生的气体和气化的气体积聚在电极的表面产生了气泡，电极周围形成了气液共存的低密度区域，形成一层电解液和电极之间的绝缘气膜。

第二个阶段：电压继续升高，这个阶段电流会有一个较快的增大过程，所以电流电压已不符合欧姆定律，这时是气液共同导电。液体部分，电极两端的电压增大，电场增强，离子运动速度加快而且液体温度不断升高，致使电解液的电导率增大；气体部分，在热电离和电极间高电场强度的作用下，导致气体分子电离，气体分子电离可以产生二次电子，并被加速，如同一次电子一样，它也可以使气体分子电离，导致雪崩式的电子流增大。电流雪崩式增大并伴随有气体发光的现象称为气体放电或气体的击穿。