一种磁诱导软火花微弧放电装置

本技术属于微弧氧化处理，尤其涉及一种磁诱导软火花微弧放电装置。

背景技术：

1、目前用于固定和替换的传统钛合金植入物与宿主组织的骨整合能力差，经常出现严重的并发症，最终导致植入失败；对植入术区的动态追踪显示，植入物植入后会诱导凝血反应以及介导固有免疫，并启动骨改建；植入中的一些特殊情况，比如不明原因的植入体早期失败、植入体边缘性骨吸收和免疫应答缺乏等，可能与微环境中的骨免疫有关。解决这些问题的有效途径是表面改性，以提高植入物的生物学性能。考虑到3d打印植入物的三维多孔结构，常规的表面改性方法很难胜任。微弧氧化(mao)，也称等离子电解氧化，作为一种表面改性的电化学方法，可在具有任意尺寸和复杂结构的钛合金阳极表面原位生成多孔且牢固的纳米多晶陶瓷涂层。由于mao陶瓷涂层所具有的微-纳多孔结构有利于骨结合、新骨形成和各种生物活性颗粒的掺杂，目前已被广泛用于提高钛合金植入物的生物活性，部分相关研究成果已进入临床阶段，因此，mao正逐渐成为目前3d打印钛植入物表面改性领域的关键技术之一。

2、由于3d打印逐点逐域的局部成形特性，决定了其工艺过程和成形组织涉及宏–介–微等至少6个数量级大跨尺度形性协调，对于其表面制备mao陶瓷涂层提出了较大的科学挑战。有研究发现，3d打印钛合金表面易于出现流光形式的火花放电(局部区域的连续放电，也称其为“级联”放电现象)致使涂层损坏，并严重破坏了钛合金植入物精细的多孔结构，造成共掺杂离子不均匀分布，极大限制了mao技术在3d打印钛合金植入物表面改性领域中的应用。这与3d打印成型中复杂的热动力学过程影响钛合金在不同尺度上形成的微观组织波动有关。例如，熔池中陡峭的热梯度抑制了凝固界面前方的潜在形核能力，导致打印态的钛合金具有粗大的柱状晶粒结构；3d打印过程中的高冷却速率在钛合金中保留了大部分高温残留相；逐层制造的热循环会对钛合金施加固有的循环热处理，导致亚稳定相的分解等。具有上述特征的3d打印组织，或将引起钛合金表面物理状态的不均匀，导致钛合金在mao过程中出现严重不稳定和不可控的“级联”放电现象。因此，这是3d打印钛合金mao技术中亟待解决的关键瓶颈问题。

技术实现思路

1、本实用新型所解决的技术问题在于提供一种磁诱导软火花微弧放电装置，以解决现有的钛合金植入物在微弧氧化过程中出现严重不稳定和不可控的“级联”放电问题。

2、本实用新型提供的基础方案：一种磁诱导软火花微弧放电装置，包括装置本体、工件连接机构以及控制装置，所述装置本体内开设有电解池，所述电解池内盛放电解液，所述工件连接机构包括转动单元、支撑单元以及铜棒，所述支撑单元支撑在装置本体上方，所述转动单元与支撑单元连接，所述转动单元通过铜棒连接工件，且所述工件伸入电解池中；

3、所述控制装置包括控制器、电源模块以及微弧放电模块，所述微弧放电模块包括两块钕磁铁以及螺旋铜管，所述两块钕磁铁和螺旋铜管均位于电解池中且所述工件位于两块钕磁铁之间，所述电源模块阳极连通铜棒，阴极连通螺旋铜管；所述转动单元与控制器电连接，所述控制器用于控制转动单元的运行状态。

4、进一步，所述支撑单元包括固定连接的竖向支撑柱和横向支撑柱，所述转动单元包括旋转电机、驱动马达中的一种，所述竖向支撑柱一端固定在装置本体顶部，所述横向支撑柱一端与竖向支撑柱垂直连接，另一端与转动单元固定连接，所述转动单元的驱动轴连接铜棒，另一端连接工件并伸入电解池中。

5、进一步，还包括摄像单元，所述摄像单元与控制器电连接，所述摄像单元用于采集电解池中工件的微弧氧化放电火花图形数据，所述控制器用于接收工件的微弧氧化放电火花图形数据。

6、进一步，所述控制装置还包括检测模块和显示模块，所述检测模块和显示模块均与控制器电连接，所述检测模块用于检测电解池的温度值，生成温度信号，所述控制器用于控制显示模块显示温度值以及工件的微弧氧化放电火花图形数据。

7、进一步，还包括调节机构，所述调节机构包括齿轮丝杠以及调节旋钮，所述齿轮丝杠位于电解池底部，所述齿轮丝杠包括丝杠轴和安装座，所述丝杠轴穿过电解池壁一侧且伸出装置本体，所述安装座安装在丝杠轴上，且在丝杠轴上做线性运动，所述钕磁铁安装在安装座上，所述调节旋钮安装在丝杠轴伸出装置本体一端。

8、进一步，还包括冷却系统，所述冷却系统安装在装置本体内，并位于电解池下方，所述冷却系统与螺旋铜管连通。

9、进一步，所述转动单元的转速在0-3000转/分钟，所述两块钕磁铁中间位置的磁感应强度调节范围为0.1-0.7特斯拉。

10、进一步，所述电源模块采用双极性直流脉冲电源。

11、本实用新型的原理及优点在于：在本申请中，设计的磁诱导软火花微弧放电装置，首先在装置上设置的电解池和工件连接机构，能够将工件通过铜棒与转动单元进行连接，并将工件伸入电解池中，铜棒与电源模块的阳极通电，电解池中放置了两块钕磁铁和螺旋铜管，螺旋铜管与电源模块的阴极通电，以此作为电解池中的阴极，至此，两块钕磁铁在电解池中构成平行磁场，转动单元旋转工件，且工件置于平行磁场中，而转动单元通过铜棒带动工件旋转，一方面对电解液进行搅拌促进电解液中离子/粒子的弥散分布，另一方面旋转工件带动微弧氧化过程中的等离子切割平行磁场，该相对旋转的磁场即可诱导微弧在工件表面形成均匀形核，再加上电源模块采用的双极性直流脉冲电源，可以降低微弧放电的强度，两者结合，即可在工件表面获得温和且均匀的微弧放电，因此，解决严重不稳定和不可控的“级联”放电问题。

12、本申请的优点在于：

13、(1)通过相对旋转的磁场，为微弧形核提供额外的能量，促进微弧形核的数量，平摊了微弧形核的强度，从而获得相对均匀的微弧放电，极大程度上解决大电流密度导致的涂层烧蚀问题；

14、(2)通过转动单元转动工件，可显著提升电解液阴离子或共沉积粒子的转移和均匀分布，为钛合金表面获得超厚、超致密、超耐蚀、超耐磨、超耐高温和超强结合强度的超级微弧氧化涂层制备提供新思路；

15、(3)通过双极性脉冲电源参数和磁场参数共同调节微弧氧化涂层的多孔结构，以满足生物涂层多样性的需求。

技术特征：

1.一种磁诱导软火花微弧放电装置，其特征在于：包括装置本体、工件连接机构以及控制装置，所述装置本体内开设有电解池，所述电解池内盛放电解液，所述工件连接机构包括转动单元、支撑单元以及铜棒，所述支撑单元支撑在装置本体上方，所述转动单元与支撑单元连接，所述转动单元通过铜棒连接工件，且所述工件伸入电解池中；

2.根据权利要求1所述的一种磁诱导软火花微弧放电装置，其特征在于：所述支撑单元包括固定连接的竖向支撑柱和横向支撑柱，所述转动单元包括旋转电机、驱动马达中的一种，所述竖向支撑柱一端固定在装置本体顶部，所述横向支撑柱一端与竖向支撑柱垂直连接，另一端与转动单元固定连接，所述转动单元的驱动轴连接铜棒，另一端连接工件并伸入电解池中。

3.根据权利要求2所述的一种磁诱导软火花微弧放电装置，其特征在于：还包括摄像单元，所述摄像单元与控制器电连接，所述摄像单元用于采集电解池中工件的微弧氧化放电火花图形数据，所述控制器用于接收工件的微弧氧化放电火花图形数据。

4.根据权利要求3所述的一种磁诱导软火花微弧放电装置，其特征在于：所述控制装置还包括检测模块和显示模块，所述检测模块和显示模块均与控制器电连接，所述检测模块用于检测电解池的温度值，生成温度信号，所述控制器用于控制显示模块显示温度值以及工件的微弧氧化放电火花图形数据。

5.根据权利要求4所述的一种磁诱导软火花微弧放电装置，其特征在于：还包括调节机构，所述调节机构包括齿轮丝杠以及调节旋钮，所述齿轮丝杠位于电解池底部，所述齿轮丝杠包括丝杠轴和安装座，所述丝杠轴穿过电解池壁一侧且伸出装置本体，所述安装座安装在丝杠轴上，且在丝杠轴上做线性运动，所述钕磁铁安装在安装座上，所述调节旋钮安装在丝杠轴伸出装置本体一端。

6.根据权利要求5所述的一种磁诱导软火花微弧放电装置，其特征在于：还包括冷却系统，所述冷却系统安装在装置本体内，并位于电解池下方，所述冷却系统与螺旋铜管连通。

7.根据权利要求6所述的一种磁诱导软火花微弧放电装置，其特征在于：所述转动单元的转速在0-3000转/分钟，所述两块钕磁铁中间位置的磁感应强度调节范围为0.1-0.7特斯拉。

8.根据权利要求7所述的一种磁诱导软火花微弧放电装置，其特征在于：所述电源模块采用双极性直流脉冲电源。

技术总结本技术属于微弧氧化处理技术领域，尤其涉及一种磁诱导软火花微弧放电装置，在装置本体内开设有电解池，电解池内盛放电解液，通过支撑单元支撑在装置本体上方，转动单元与支撑单元连接，转动单元通过铜棒连接工件，且工件伸入电解池中；设立的控制装置包括控制器、电源模块以及微弧放电模块，微弧放电模块包括两块钕磁铁以及螺旋铜管，两块钕磁铁和螺旋铜管均位于电解池中且工件位于两块钕磁铁之间，电源模块阳极连通铜棒，阴极连通螺旋铜管；转动单元与控制器电连接，控制器用于控制转动单元的运行状态。本技术能够解决现有的钛合金植入物在微弧氧化过程中出现严重不稳定和不可控的“级联”放电问题。技术研发人员：翟大军受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：20230912技术公布日：2024/5/16