融资材料可行性方案v1.给电力

1、镁合金微弧氧化低能控制工艺及其配套电源装备的研究一、研究背景镁合金是继钢铁、铝合金之后的第三大金属工程材料，具有低密度、度、可回收性好等诸多优良性能。随着国家对节能环保和循环经济的日益重视，汽车、航空、3C 等产品轻量化需求越来越大，镁合金制造进入大规模工业生产时代。镁合金材料本体应用研究已趋于成熟，但镁合金表面处理技术，成为目前严重制约镁合金工业化应用最后的瓶颈。微弧氧化是一种在金属表面原位生长陶瓷性氧化膜的技术，最早可追溯至 20 世纪 30 年代初期。A.Gunterschulze 和H.Betz 首次了放置在溶液中的金属，在高压电场的作用下，表面会发生火花放电现象，且电火花破坏了常规氧

2、化膜。后经研究发现，也可利用此技术制成氧化膜并用于提高镁合金的防腐性上。此后，微弧氧化技术引起了大量研究的关注。目前，以英国与俄罗斯为代表的欧洲国家所做工作具有一定的代表性。如英国 Keronite 公司通过使向脉冲并采用较高脉冲频率，可使氧化膜的性能在一定程度上获得改善。我国的研究工作始于 90 年代中后期，师范大学、西安理工大学、哈尔滨工业大学、的兰州化物所等开展了相关研究，推动了我国的研究水平的提高。近 10 年来，中国金属一直致力于镁合金微弧氧化技术的研究与应用开发，已承担了多项研究与开发课题并取得进展，继 2009 年与中国联合承担完成“镁合金轮毂表面微弧氧化处理”国家 863 项目

3、并取得优异成绩之后，又先后完成国防 973、十二五支撑项目以及国防基础科研等项目中镁合金表面防护技术系列课题。同时，在国防装备、汽车零等产品中成功实现产业应用对接。所开发的“超微致密微弧氧化”工艺技术镁合金表面微弧氧化技术的各项指标（盐雾试验1000h、显微硬度 Hv0.01560、抗力学冲击性等）均达到世界领先，尤其是“腐蚀疲劳”（与基体无腐蚀环境下疲劳相当）和“抗刮伤腐蚀”（划伤处盐雾试验1000h）性能指标是世界上唯一取得突破的工业化技术指标，此前相关研究尚属空白，而这两项指标是决定承载镁合金工业化应用的关键，这标志着“超微致密微弧氧化技术”成为目前最具有工业化前景的技术。为我国未来镁合

4、金材料在实际生产条件下及应用背景下工业化推广应用提供了技术储备和保障。综合国内外研究成果可以看出，当前微弧氧化技术的研究主要集中在电解液配方、氧化膜层的结构和性能及其影响、氧化处理装置和氧化电源的研制等方面进行了广泛而深入的研究，然而其各项指标距离工业化还相差甚远。而经过十几年的刻苦攻关，所开发的“镁合金超微致密化表面微弧氧院金属化技术”的各项指标均达到世界领先，成为该领域中唯一具有工业化应用前景的技术。然而，由于镁合金微弧氧化过程中的能量转化效率较低，导致其实际加工成本过高，是普通阳极氧化的几倍至几十倍，单次加工面积有限（1m2），目前还只能应用于其它工艺所不能替代高端产品的工业生产，严重制

5、约镁合金微弧氧化技术业化推广应用。因此，提高微弧氧化工艺过程的能量转化效率，降低加工成本并提高生产能力已成为镁合金微弧氧化技术的研究和工业化推广应用所的主要难题。为此，在现有的控制工艺和电源装备的基础上，本项目提出通过优化控制工艺、开发与之相配套的大功率微弧氧化电源装备，实现微弧氧化过程的节能控制，大幅降低工业化技术成本。通过复合变频载波控制消除负载所产生的冲击电流和脉冲电流的能量损耗，在电解液中引入助烧剂降低微弧氧化工作电流密度和击穿电压，将两种技术途径相互融合形成整体技术路线，预期可将镁合金微弧氧化的能量密度可从现在的 30-50 度电/m2 大幅降低到 5-10 度电/m2，与控制工艺相

6、配套的微弧氧化电源装备的总功率可由 80-120KVA积的加工能力可增加至 5m2 以上。总之，本项目所至 200KVA，单次最大面镁合金微弧氧化低能控制工艺及相配套的大功率微弧氧化电源装备，可大幅降低镁合金技术的生产成本，大幅度提高加工能力，为镁合金材料加工产业的未来发展提供有力的保障。二、研究内容和技术关键1、项目研究的总体目标通过复合变频载波控制消除负载所产生的冲击电流和脉冲电流的能量损耗，在电解液中引入助烧剂降低微弧氧化工作电流密度和击穿电压，将两种技术途径相互融合形成整体技术路线，以实现微弧氧化过程的节能控制，大幅降低工业化技术成本的目标。2、研究内容通过研究大功率条件下大面积氧化膜

7、容性负载特性，消除脉冲前沿响应缓慢对载波波形的影响；优化载波基质电压和幅值电压等参数调整电解液组成，精准控制等离子体放电避免局域击穿现象；依据致密化控制理论模型，优化调整大面积下控制参数，达到降低放电阻抗，节能降耗的目的；形成镁合金微弧氧化低能控制工艺，开发研制与之配套的大功率微弧氧化电源装备。电源研制内容包括基础电路设计，复合载波智能控制拓扑电路设计以及自反馈控制电路设计。3、创新点(1)基于复合载波控制方法消除脉冲前沿响应缓慢对于载波波形的影响； (2)优化脉冲电压和载波电压幅值等参数，并控制放电消除局域击穿现象； (3)氧化膜阻抗响应理论模型适用于大面积，参数调试基于理论指导完成；(4)

8、优化调整参数可完全消除大面积放电对波形的影响，达到与试验同样效果； (5)依据阻抗响应理论模型可有效降低微弧氧化放电阻抗，实现降低能耗目的；4、项目技术路线及可行性分析工艺研发技术路线：电源研制方案期微弧氧化电源研制采用的“单周期残余能量智能控制”拓扑电路设计基础上，创新设计复合载波逻辑控制拓扑电路，通过电路仿真建立阻抗等参数响应数据库，采用 CPLD 程序设计技术实现智能反馈控制，解决母波与载波施加时的同步逻辑控制难题，进一步有效消除高电压脉冲前沿响应缓慢对脉冲的冲击影响，实现电源的可靠性控制。电源研制技术路线：图 1 主电路拓扑结构以及“单工作周期残余能量消除电路”拓扑结构的设计图本项目技

9、术路线的可行性将从理论依据、项目执行两个方面加以分析：首先，大面积镁合金的超微致密微弧氧化工艺的理论依据具有可行性：(1)基于复合载波控制理论方法，通过分析大功率条件下大面积氧化膜容性负载特性，可以精确计算脉冲前沿响应的缓慢对于载波波形的影响程度；(2)通过进一步优化载波基质电压和幅值电压大小等参数，调整电解液组成，促使电压基值降低并精准控制等离子体击穿电压和载波电压幅值；(3)由于已在小功率条件下实现致密化控制，因此，在大面积加工条件下的工艺调试可参照前期小功率条件下相关理论完成，也就是说，由于氧化膜阻抗响应理论模型同样适用于大面积加工工艺条件，通过调整或优化工艺参数，可完全消除由于大面积放

10、电对于波形的影响，从而降低放电阻抗，实现节约能耗。其次，项目执行具有可行性。中国金属，从事轻合金微弧氧化技术研究已有十余年，研究相对稳定、结构合理，顺利完成了多项国家和军队项目的研究工作。申请人主要从事功能膜材料与应用、金属腐蚀与防护等方面的研究。具有陶瓷膜材料结构设计、薄膜材料结构分析、材料性能评价等方面的研究经验，为本项目的顺利开展提供了基本保障。本拥有先进的微弧氧化电源设备、材料测试、电化学分析测试仪器，周边的科研院所有性能先进的现代化分析测试设备可供有偿使用。5、所需要解决的技术关键(1) 大功率条件微弧氧化过程等离子体局域集中问题凸显；中国金属解决了 100kVA 功率条件下微弧氧化

11、过程等离子体局域集中问题，然而研究发现，在大功率条件下的等离子电解氧化过程流模式电极体系的等离子体行为和作用效应均会发生实质性改变，其变化规律极为复杂，完全不同于小功率条件下的过程。大功率条件下现有电源控制模式等离子体局域集中放电会对严重破坏大功率应用的可靠性，而国内外现有控制设备功率小、功能单一，无法提供大功率下复杂等离子体变化规律的电源外部控制条件。由此可见，大功率条件微弧氧化过程等离子体局域集中现象凸显，成为本项目拟解决的关键问题之一。(2) 致密化控制更加剧等离子体局域集中放电现象；如果氧化膜可以看能良好的电容器，如果充电电容越大，越容易发生介电击穿，交变电压能够使电容器极板间的绝缘介

12、质击穿破坏变成导体并能量形成冲击放电也会严重影响电源的可靠性。因此在致密化控制工艺的冲击放电不断作用下，膜层会产生局部缺陷，缺陷处的电容和电导率均会大幅增长，导致局部微区放电能量集中，电流更大，因此，膜层就更容易发生介电击穿破坏。由此可见，致密化控制工艺下的等离子体局域集中放电问题成为本项目的拟解决又一关键问题。(3) 大面积加工，成本控制以及缺陷和应力裂纹消除知道，大面积大功率模式控制条件下的等离子体氧化工艺研究亟待完善，由此可见，研究大功率下交流控制模式等离子电解氧化过程动力学机制，全面揭示等离子体的作用机制，从而解决目前等离子电解氧化过程中工艺实施的瓶颈，即大功率、高电压下极性快速变化时

13、电极反应过程中微等离子体的动态效应与液相烧结的作用规律，对控制工艺成本，消除大功率条件下由于放电局部集中所导致缺陷，以及相变不均匀所导致的裂纹具有十分重要的意义。三、执行年限和计划进度2015.1.1-2015.10.30大面积镁合金微弧氧化工艺的开发：研究大面积氧化膜容性负载特性，精确计算脉冲前沿响应缓慢对于载波波形的影响程度；优化载波基质电压和幅值电压的大小等参数，调整电解液组成，精准控制在等离子体击穿电压。2015.11.1-2016.5.30参照小功率条件下致密化控制及相关理论模型，优化调整参数可完全消除大面积放电对波形的影响，解决大功率条件下微弧氧化过程等离子体局域集中，致密化控制更

14、加剧等离子体局域集中放电；依据阻抗响应理论模型可有效降低微弧氧化放电阻抗，达到降低放电阻抗，节能降耗的目的。2016.6.1-2016.10.30考核大面积加工样品表面微弧氧化陶瓷层的性能；形成镁合金微弧氧化低能控制工艺，试制大功率配套电源装备。2016.11.1-2016.12.31撰写结题，并准备与结题相关的文件及样品。四、工作条件和环境保障1、 项目申请情况中国金属（以下简称“金属所”）成立于 1953 年，是成立后中国新创建的首批之一，创建者是我国著名的物理冶金学家先生。现任，名誉。金属所是涵盖材料基础研究、应用研究和工程化研究的综合型，1999知识创新工程试点之一。金属所以“创新材料

15、技术，攀登年科技，培育杰出，服务经济国防”为使命，主要学科方向和研究领域包括：纳米尺度下性能材料的设计与、耐苛刻环境超级结构材料、金属材料失效机理与防护技术、材料加工技术、基于计算的材料与工艺设计、新型能源材料与生物材料等。金属所以高性能金属材料、新型无机非金属材料和先进复合材料等为主要研究对象，面向国家需求和国家经济建设、面向世界科学发展前沿需要，有针对性地开展基础研究和应用研究，并注重科技成果的转化和。基础研究方面拥有沈阳材料科学国家（联合）和金属腐蚀与防护国家，其中沈阳材料科学国家（联合）是我国第一个研究类国家；应用研究方面拥有沈阳先进材料研究、材料环境腐蚀；工程化研究方面拥有两个国家工

16、程中心：高性能均质合金国家工程和国家金属腐蚀控制工程技术。金属所以微弧氧化技术为研究历经多年攻关，开展了深入的基础研究和工艺探索，已在微弧氧化控制技术方面取得了关键性突破，为本项目的顺利实施提供必要的工作基础，具体工作如下：(1)微弧氧化技术致密化控制理论：提出新的控制方法和理论，建立新过程动力学模型，形成氧化膜不同微区放电阻抗平衡自调节控制，突破现有微弧氧化控制技术自身无法实际应用的局限性，攻克传统微弧氧化过程致密化和均匀化无法控制的技术壁垒。(2)微弧氧化新控制电源设计：通过设计相应智能控制系统，消除在大功率条件下电极极性快速变化时冲击电流的破坏作用，解决等离子体效应不可控以及等离子体效应

17、对氧化膜生长过程具有破坏作用的致命问题。为实现大功率条件下，大面积（2m2 以上）镁合金微弧氧化致密化控制技术的成功应用奠定了基础。(3)工艺优化设计：微弧氧化新控制技术可以根据用户及其产品技术性能之要求，可实现对陶瓷涂层显微结构（孔径大小和致密度）调控，使得氧化膜的耐蚀性、表面光洁度、显微硬度、摩擦学性能、与基体结合力和膜厚以及电绝缘性等能够相互兼容、优化组合，直接实现氧化膜综合性能优化设计以及一定程度的功能化设计。2、项目情况：博士，副研究员。1996 年于获得博士学位年月至年月之间在大连交通大学任职，2004 年 8 月至 2008 年 12 月之间与金属所建立合作关系，参与若干课题的研

18、究工作，2008 年 12 月调入金属所。博士毕业后一直从事腐蚀电化学与电化学表面技术的研发，主要理论研究成果有：建立复合电沉积过程动力学液相控制理论，提出微弧氧化等离子体放电反馈作用控制方法，设计复合膜材料纳米精细结构模型。在国际 SCI 及国内期刊篇，申请专利 10 余项。40 余研究项目获科技计划支持情况如下：(1)配套项目“高性能轻质耐磨铝基复合材料研制”（2007.012008.12）；国家自然科学基金“晶相结构纳米孔阵列氧化铝薄膜的微等离子体阴极化载波冲击电解氧化形成过程的研究” (2010.012012.12)；辽宁省科技攻关层次计划“镁合金表面微等离子体消弧电解氧化自组装功能复

19、合镀膜技术的研究”(2010.012011.12)；(4) 十二五国家科技支撑计划“ 镁合金防护、(2011.012013.12)；与可靠性研究及评价”(5)国防基础科研计划“用镁合金应用技术研究”(2011.012013.12)。(6)973 项目“镁合金的防护研究”（2005.012008.12）；科技部 863 项目“ 镁合金表面等离子体电解氧化陶瓷基复合涂层技术”（2007.012009.12）；科技部中小型企业创新基金项目“铝质转杯的高耐磨性工作表面的等离子体电解氧化”（2006.072008.06）；(9)青年科学基金项目“过镁铝合金腐蚀字抑制微电偶模型的而形成及腐蚀机制研究” (

20、2011.012013.12)。(10)钛合金、铝合金年；微弧氧化绝缘膜的研制，中国航天员科研训练中心，2014(11)镁合金所，2013 年；壳体导电微弧氧化复合涂层的研制，西安现代控制技术研究(12)()发铝、镁合金微弧阳极化加工生产，沈阳公司，2009 年2012 年；(13)铸造镁合金机匣微弧氧化膜研制，司，2009 年；()有限公哈尔滨东安发(14)镁合金汽车零件微弧氧化复合涂层样件处理，东风汽车3、工作基础，2011 年中国金属基于“三防”攻关项目等国家工业领域对微弧氧化技术突破之迫切需求，课题组深入开展了基础研究和工业化探索，5 年来先后完成国家自然科学基金、国防基础科研课题以及

21、“三防”攻关项目等 20多项研究与开发课题。取得了关键性突破，整体技术水平超过国外同类技术最高水平，其前期工作基础主要体现在以下五个方面：第一，发现致密化与均匀化作用相互制约是微弧氧化过程的科学问题。常规微弧氧化过程由于氧化膜不同微区处膜或孔洞阻抗分布不均，电场畸变导致等离子体集中放电自发形成，等离子体不安定局域集中放电自然会导致氧化膜内微观组织、相变转化及应力分布严重不均，导致大量微缺陷和大裂纹形成，降低氧化膜阻抗；因此，微弧氧化过程氧化膜微观组织致密化与均匀化相互制约成为微弧氧化过程的科学问题。第二，提出微弧氧化过程复合载波控制方法。首次提出“复合载波控制”方法，分析认为，氧化膜传输线模型适用于正向脉冲放电阻抗调节，负向载波不形成等离子体放电，因此孔洞内传输线模型适用于负向载波放电阻抗调节。适宜调节正向载波基压与载波幅值比 Uj/U0 以及尽量减小负向载波基压才能有利于等离子体均匀放电。这种基于理论的控制完全了传统微弧氧化过程正负电流比值恒定控制模式，由此突破传统微弧氧化模式的技术壁垒。第三，解决致密化与均匀化制约的科学问题。基于复合载波控制模式并通过调节电解液改变界面双层电容，有效降低放电阻抗，氧化膜不同微区放电阻抗实现均衡调节控制，可有效解决等离子体不均匀放电和局域击穿固有难题，使等离子体形成网络弥散放电，形成纳米放电通道，氧化膜致