钛合金表面阴极微弧液相碳氮共渗工艺的研究(3)

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第三个阶段：属于击穿放电阶段。气体被击穿后，将逐渐趋于稳定，在强电场的作用下发生放电现象，液相下产生辉光放电等离子体，产生电火花。伴随这个过程电流有个迅速减小的过程，此时样品持续放热。在此过程中由于气体放电、电子碰撞产生而大量的等离子体，等离子体虽整体呈中性，但它含有相当数量的电子和离子，因此仍可以导电，但由于气体击穿后产生的稳定连续的等离子体区将工件与电解液分隔开，形成气液隔离层，造成只有一种气态形式导电，因此电流迅速变小。文献综述

第四个阶段：继续提高电压，电流只有稍微增加，增加电压的目的是为了升高和维持试样表面的温度，此时维持的电压称为工作电压。

电极间电压电流特性曲线

图1.1 电极间电压电流特性曲线[14]

放电初始，电解液的电导率较低，电流较小，这时有机溶液在电场作用下会发生轻微的分解，阴极表面有少量的稀疏的小气泡附着，随着放电进行，电解液进一步分解，同时温度逐渐升高，电解液的电导率随之增加，电流逐渐升高，阴极表面的气泡越来越多，形成的气膜越来越厚。当温度进一步升高，逐渐达到电解液的沸点，电解液逐渐开始沸腾，反应越来越剧烈，阴极周围的气体绝缘膜层越来越厚，两侧的电位差达到击穿电压时就会发生击穿放电，产生电火花。首先在试样的边缘尖角部分看见火花，随着放电的加剧，慢慢在心部也能发生火花，电功率越大，频率越大，弧光发电越剧烈，火花的形态颜色因电参数不同而有所区别，基本为亮白紫色。随着反应的进行，火花越来越大，颜色越来越深。图1.2 为弧光放电现象。

图1.2 弧光放电现象

1.2.4 等离子体电解放电原理

等离子体电解过程中，由于弧光放电效应，电流密度较大，产生的等离子体在电场的作用下轰击试样表面，等离子体注入到被处理材料中，产生空位和位错，将导致两个方面的影响：一方面，使得试样表面活性原子的浓度得到高；另一方面，强化沿晶内扩散，即位错沿着与被轰击表面垂直的滑移面移动，其运动的方向与饱和元素（C，N）扩散流的方向重合，从而可以显著提高材料内C、N原子的扩散迁移速度。离子轰击导致浓度梯度的提高和扩散系数的增大，使得非金属扩散系数可提高达2~3倍，从而使C和N原子的扩散过程得以强化。离子轰击十分强烈，使得渗透速度加快并不断注入到试样表层，形成一定厚度的膜层，最终实现材料表面快速固溶和化合物强化处理[22]。

图1.3 击穿放电系统模型[22]

等离子体电解液相碳氮共渗就是利用放电使有机物分解和电离，产生由[C]和[N]以及它们的基团所组成的等离子体，对试样表面进行轰击，加以电流的热效应对试样表面加热，使[C]和[N]渗入到钛合金试样的表面，与基体发生反应，形成Ti（C,N）膜，从而达到表面强化的效果。

等离子体电解放电时，试样表面局部温度可达400-700K，此时，HCONH2按下式分解：

HCONH2→NH3↑+CO↑

HCONH2→HCN+H2O

其中，NH3、HCN及CO进一步分解：

2NH3→3H2↑+2[N]

2CO→CO2↑+[C]

2HCN→H2↑+2[C]+2[N]

弧光放电电离过程中，[C][N]都产生于阴极，阳极析出CO2和H2，所以反应时试样作为阴极参与反应[14]。

由上述反应及图1-1可以知道，随着处理电压的升高，在阴极试样周围产生大量气泡，这就形成了电解液和试样表面分离的气液隔离层，当电压达到击穿电压U2后,气体层发生击穿反应,气泡破裂出现火花放电现象，产生的等离子体中含有大量[C]、[N]活性粒子，它们在高电场、流体动力等作用下轰击试样表面，形成复杂化合物，并在局部高温高压、高浓度的作用下向金属内部扩散。进一步提高电压至U3，形成了连续的气体/等离子体隔离层，该层含有高浓度的[C]、[N]活性原子，出现了连续的弧光放电现象。气体/等离子体隔离层使阴极与电解液完全分离，造成电极电流的显著降低。进一步提高电压，电流变化不大，基体表面温度却迅速上升，因此控制合适的工艺参数对等离子体渗透非常重要。来~自^751论+文.网www.751com.cn/