【科普系列】放电发射光谱在金属微弧氧化表面处理中的应用研究进展
微弧氧化是一种利用液相火花放电区的瞬间高温烧结作用在铝、镁、钛等金属表面原位生长陶瓷氧化膜的表面处理技术。发射光谱技术(OES)是测定物质元素组成和含量的一种分析方法，通过采集金属材料在微弧氧化过程中原子或离子发射的特征光谱线，可以定性或定量分析参与反应的原子或离子特性（图1）。由于难以直接探测液相等离子体放电过程，对微弧氧化过程中放电行为的研究相对较少，大多是通过观察放电火花或膜形貌变化间接推测放电过程。发射光谱为无损探测技术，对微弧放电过程没有扰动，是研究微弧氧化机理的一种有效方法。近年来，研究人员将发射光谱技术应用于铝、镁、钛、锆、钽等金属的微弧氧化放电过程研究，成为探索微弧放电机理和氧化膜生长机制的重要手段。
图1 AZ31镁合金等离子体放电阶段OES谱
等离子体参数计算原理
在热力学平衡或局部热力学平衡条件下，可以用电子温度来表征等离子体温度。微弧氧化过程中，单个火花放电区域为微米级，火花寿命仅为0.1毫秒级别，难以直接测量放电区的等离子体温度。可以采用双谱线法测出同种原子或离子的两条特征光谱线强度, 计算出电子温度值和电子密度。
发射光谱技术在金属微弧氧化研究中的应用
金属微弧氧化过程中，火花放电区的瞬间高温高压环境使得物质分解成相应的原子或离子（图2）。当受激原子或离子由高能级向低能级跃迁时，其能量以光的形式进行辐射，从而产生对应的发射光谱。通过记录微弧放电过程的发射光谱可以确定参与等离子体放电的元素及粒子种类，从而更好地理解微弧氧化膜的生长过程。发射光谱方法不仅能够探测参与金属表面微弧放电的粒子种类，还揭示不同电参数下等离子体温度等特征参数，能够定量反映微弧放电剧烈程度，便于理解氧化膜的形貌结构特征。微弧氧化放电过程会产生光、热、声和振动等多种信号，对多种信号进行同步分析可进一步理解放电现象及膜层生长机制。大多数微弧氧化放电发射光谱研究只能评估样品整体放电的特征参数，且采样时间远远超出单个火花寿命，采用特殊的光谱仪能够采集单个脉冲放电期间光发射谱。利用声发射技术探测微弧氧化过程中样品的振动信息，结合放电发射光谱分析放电机理，发现样品振动特征频率同放电火花大小存在一定关系（图3）。
图2 金属微弧氧化过程中火花放电模型
图3 金属微弧氧化不同阶段的火花放电模型 （a）初始阶段；（b）~（c）中间阶段；（d）最后阶段
结论与展望
发射光谱技术作为一种无损探测方法，是分析金属微弧放电光谱特征和探索微弧氧化成膜机理的有效手段，不仅直接证实金属基体和电解液都参与微弧放电区的物理化学反应，还可通过计算电子温度、电子密度等参数进一步理解微弧放电行为和微弧氧化成膜机理。放电发射光谱同高速摄影和声发射等技术结合，可以更深入探测微弧放电过程。
原文出处：
放电发射光谱在金属微弧氧化表面处理中的应用研究进展（点击“题目”可链接全文）
廖燚钊，薛文斌，万旭敏，张奕凡，朱明浩，徐驰，杜建成
2020, 41(2): 32-44
doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000137