專利名稱：鋁、鎂合金及其復合材料表面熱障涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料表面涂層涂敷技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鋁、鎂合金及其復合材料表面熱障涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
作為密度小、質(zhì)量輕的有色金屬，鋁、鎂合金及其復合材料近年來已廣泛為汽車、 航空燃氣發(fā)動機、軍用發(fā)動機裝備等諸多零部件所采用，為產(chǎn)品的輕量化發(fā)展提供了方向。 但由于鋁、鎂合金自身的高溫強度和蠕變性能都較低，限制了鋁、鎂合金及其復合材料在高溫(150 350°C )場合的應用，致使其很難滿足高溫、高壓、高腐蝕介質(zhì)等的復雜工況。為此，本領(lǐng)域通常是采用在材料表面進行熱障涂層處理來降低材料表面熱負荷，進而提高構(gòu)件整體的耐高溫性和抗燒蝕性。熱障涂層對進一步提高合金材料的使用溫度發(fā)揮著重要的作用，可以提高使用溫度100 150°C?，F(xiàn)有技術(shù)中，熱障涂層工藝技術(shù)主要有熱噴涂、電子束物理氣相沉積(EB-PVD)等技術(shù)。熱噴涂技術(shù)不受基體材料的限制，操作工藝靈活方便，涂層厚度可控，但噴涂的陶瓷層與鋁基體的結(jié)合力差，高溫下運轉(zhuǎn)后陶瓷易龜裂剝離。EB-PVD法制備的熱障涂層組織結(jié)構(gòu)具有良好的應變承受能力，從而大大提高了涂層的抗熱疲勞的性能，但是，EB-PVD的沉積速率較低，設(shè)備造價昂貴，受元素蒸汽壓影響，涂層的成分控制較困難，基體零件需要加熱， 試樣尺寸不能太大，這些都在很大程度上限制了該方法的工業(yè)化推廣。雖然應用硬質(zhì)陽極氧化、離子電鍍、化學或物理氣相沉積TiN(或CrN)涂層技術(shù)可以在一定程度上提高其表面性能，但是在面對高速和高接觸應力下的服役條件時仍顯不足，同時還會帶來一定的環(huán)境問題。此外，利用陶瓷層的隔熱及降低應力集中的作用，在發(fā)動機構(gòu)件表面噴涂一層牢固的隔熱陶瓷也是本領(lǐng)域常見的一種選擇，但噴涂的陶瓷層由于與鋁基體之間存在一層明顯的分界面，熱膨脹系數(shù)差別較大，不耐熱沖擊，在熱循環(huán)中易脫落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，進而提供一種操作簡單、涂層成分易于控制、產(chǎn)品耐高溫和抗燒蝕性能好、適于工業(yè)化應用的鋁、鎂合金及其復合材料表面熱障涂層的制備方法。用于完成上述發(fā)明目的的制備方法是一種可以提高鋁、鎂合金及其復合材料表面隔熱、耐熱性能的等離子電解氧化-電泳復合處理工藝，其技術(shù)方案的實現(xiàn)在于先通過硅酸鹽和磷酸鹽體系等離子體電解液使鋁、鎂合金及其復合材料表面電解氧化成膜介質(zhì)，再在等離子電解氧化膜基礎(chǔ)上以電泳沉積電解液的電泳沉積，制得鋁、鎂合金及其復合材料表面熱障涂層。本發(fā)明的技術(shù)解決方案中，等離子體電解液按物質(zhì)重量與總體積比的配方為硅酸鹽1 50g/L，磷酸鹽1 40g/L，其余為去離子水，其中等離子體電解液中的硅酸鹽、磷酸鹽均為其鈉鹽或鉀鹽；電泳沉積電解液為&(0H)2膠體電解液，每升^(OH)2膠體電解液由鋯酸鹽1 50g/L與堿液1 20g/L以及去離子水反應形成，其中用于反應生成& (OH)2 膠體電解液的鋯酸鹽為其鈉鹽或鉀鹽，堿液為氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液。本發(fā)明的實現(xiàn)還在于，所述的鋁、鎂合金或其復合材料表面熱障涂層的制備方法包括如下的制備工藝步驟1)在去離子水中先加入pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)pH值為8 12，然后按配制比例加入硅酸鹽和磷酸鹽，制得等離子體電解液；2)在另部分去離子水中先加入pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)pH值為3 7，然后按配制比例加入鋯酸鹽和堿液，制得電泳沉積電解液；3)以鋁、鎂合金及其復合材料為陽極，不銹鋼為陰極，在配好的等離子體電解液中，采用脈沖電源，在恒定電流密度2 30A/dm2，頻率為50 2000HZ，占空比為5 50%， 陰陽極板間距離為5 30cm的條件下進行等離子體電解氧化，維持電解液溫度10 50°C， 處理時間為2 90min，使鋁、鎂合金及其復合材料表面電解氧化成膜介質(zhì)；4)以經(jīng)過等離子體電解氧化后的鋁、鎂合金及其復合材料為陽極，不銹鋼為陰極， 在配好的電泳沉積電解液中，采用脈沖電源，在恒定電流密度5 20A/dm2，頻率為50 500HZ,占空比為5 30%，陰陽極板間距離為5 30cm的條件下進行電泳沉積，維持電解液溫度50 90°C，處理時間為2 90min，制得鋁、鎂合金及其復合材料表面熱障涂層。本發(fā)明實施方案中，采用等離子電解氧化(Plasma Electrolytic Oxidation，英文縮寫ΡΕ0)技術(shù)能夠克服鋁、鎂合金構(gòu)件表面噴涂隔熱陶瓷層與鋁基體之間熱膨脹系數(shù)差別較大、不耐熱沖擊且在熱循環(huán)中易脫落的缺點，可在鋁、鎂合金表面制備結(jié)合良好的陶瓷涂層，從而達到優(yōu)異隔熱效果。該方法形成的陶瓷層由于高硬度、高耐蝕、與基體結(jié)合力強、耐高溫氧化、絕緣性好，特別適用于高速運動且需要高耐磨、抗高溫沖擊的輕金屬合金零部件。另外，該方法的另一優(yōu)點在于其清潔無污染，屬于環(huán)保型表面處理工藝。傳統(tǒng)的PEO工藝只能在基體表面得到與基體成份相同的單一陶瓷氧化膜，如鋁、 鎂合金經(jīng)等離子電解氧化后形成的Al2O3和MgO陶瓷膜，但單一的陶瓷膜層還并不能有效的達到隔熱效果。為了能得到隔熱溫度良好的熱障涂層，本發(fā)明采用等離子電解氧化-電泳復合處理技術(shù)，制備出含^O2的復相陶瓷膜。ZrO2因其具有的熔點較高、導電率低、抗氧化、 耐腐蝕、組織熱穩(wěn)定性好、機械強度較高等諸多優(yōu)點而成為熱障涂層中最優(yōu)良的陶瓷材料， 而且^O2熱膨脹系數(shù)也與金屬的熱膨脹系數(shù)最為接近，所以^O2是熱障涂層的首選材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明采用的等離子電解氧化、電泳沉積電解液不含對人體和環(huán)境有害的有毒性陽離子(Cr6+等)，溶液成分簡單，易于控制，不含易分解成分，工藝穩(wěn)定；2、采用本發(fā)明制得的膜層表面光滑、厚度可控且致密少孔、結(jié)合牢固、硬度高、隔熱耐熱溫度高、抗熱震性能良好，經(jīng)實驗檢測，膜層厚度為10 150 μ m，結(jié)合強度為10 40MPa，表面硬度為400 1000HV，隔熱溫度30 80°C，在300°C溫熱震500次無裂紋；3、本發(fā)明的原料易得、價格低廉、恒流氧化、操作簡單，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施例方式以下將結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例一
等離子體電解液為硅酸鹽與磷酸鹽體系，在去離子水中先加入pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)pH 值為9 10，然后加入硅酸鈉和磷酸鈉，按重量與總體積比，取硅酸鈉10g/L，磷酸鈉15g/L， 制得等離子體電解液。將合金試樣置于電解液中，連接電源正極，不銹鋼連接電源負極，采用恒電流法控制微弧氧化過程，電流密度為3A/dm2，氧化時間lOmin。從實驗現(xiàn)象看，反應平穩(wěn)。起弧電壓為183V，終止電壓為270V。隨氧化時間延長，火花從亮白色轉(zhuǎn)為橘黃色，實驗過程中發(fā)出極微弱的爆鳴聲。氧化后試樣表面均勻生成一層淺灰白色的光滑致密的等離子電解氧化陶瓷層，從其微觀SEM表面形貌圖可看出表面有較大孔洞，與基體結(jié)合較好。電泳沉積電解液為& (OH)2膠體電解液，在去離子水中先加入pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)pH值為5 6，然后加入鋯酸鈉和氫氧化鈉，按重量與總體積比，取鋯酸鈉15g/L，氫氧化鈉15g/L，制得電泳沉積電解液。將經(jīng)過等離子體電解氧化后的合金試樣置于電泳沉積電解液中，連接電源正極，不銹鋼連接電源負極，在恒定電流密度ΙΟΑ/dm2，頻率為200HZ，占空比為20%，陰陽極板間距離為20cm的條件下進行電泳沉積，維持電解液溫度70°C，處理時間為lOmin，制得鋁、 鎂合金及其復合材料表面熱障涂層，由等離子電解氧化-電泳沉積復合膜層表面和截面掃描電鏡形貌圖可以看出，膜層表面致密少孔，并與基體結(jié)合完好。實施例二等離子體電解液為硅酸鹽與磷酸鹽體系，按重量與總體積比，取硅酸鉀20g/L，磷酸鉀15g/L，電流密度為5A/dm2，氧化時間20min。起弧電壓為145V，終止電壓為^5V，其余操作同前例。由于電解質(zhì)濃度大，氧化時間較長，從涂層截面的SEM形貌圖看，生成的膜層較前例厚但粗糙度增加。電泳沉積電解液為&(0H)2膠體電解液，按重量與總體積比，取鋯酸鉀15g/L，氫氧化鉀15g/L，電流密度8A/dm2，，處理時間為15min，其余操作同前例。由等離子電解氧化-電泳沉積復合膜層表面和截面掃描電鏡形貌圖可以看出，膜層表面致密少孔，并與基體結(jié)合完好。實施例三等離子電解氧化電解液為硅酸鹽與磷酸鹽體系，按重量與總體積比，取硅酸鈉 20g/L，磷酸鈉15g/L，電流密度為3A/dm2，氧化時間2min，pH值控制在8 12，起弧電壓為 175V，終止電壓為192V，其余操作同實施例一。電泳沉積電解液由鋯酸鈉20g/L與氫氧化鈉 20g/L反應形成，沉積電流密度8A/dm2，電泳時間30min。pH值控制在3 7，其余操作同實施例一。實施例四等離子電解氧化電解液為硅酸鹽與磷酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取硅酸鹽20g/L，磷酸鹽15g/L，電流密度為5A/dm2，氧化時間5min，pH值控制在8 12，起弧電壓為175V，終止電壓為203V。電泳沉積電解液由鋯酸鹽30g/L與堿液30g/L反應形成，沉積電流密度ΙΟΑ/dm2，電泳時間30min。pH值控制在3 7。除上述外的其余操作均同實施例
ο實施例五等離子電解氧化電解液為硅酸鹽與磷酸鹽復合體系，按重量與總體積比，取硅酸鹽20g/L，磷酸鹽25g/L，電流密度為5A/dm2，氧化時間3min，pH值控制在8 12，起弧電壓為135V，終止電壓為172V。電泳沉積電解液由鋯酸鹽15g/L與堿液15g/L反應形成。沉積電流密度10A/dm2，電泳時間30min，pH值控制在3 7。除上述外的其余操作均同實施例一。
權(quán)利要求
1.一種鋁、鎂合金及其復合材料表面熱障涂層的制備方法，其特征在于先通過硅酸鹽和磷酸鹽體系等離子體電解液使鋁、鎂合金及其復合材料表面電解氧化成膜介質(zhì)，再在等離子電解氧化膜基礎(chǔ)上以電泳沉積電解液的電泳沉積，制得鋁、鎂合金及其復合材料表面熱障涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁、鎂合金或其復合材料表面熱障涂層的制備方法，其特征在于等離子體電解液按物質(zhì)重量與總體積比的配方為硅酸鹽1 50g/L，磷酸鹽1 40g/ L，其余為去離子水。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋁、鎂合金或其復合材料表面熱障涂層的制備方法，其特征在于等離子體電解液中的硅酸鹽、磷酸鹽均為其鈉鹽或鉀鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁、鎂合金或其復合材料表面熱障涂層的制備方法，其特征在于電泳沉積電解液為& (OH)2膠體電解液，每升& (OH)2膠體電解液由鋯酸鹽1 50g/L 與堿液1 20g/L以及去離子水反應形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁、鎂合金或其復合材料表面熱障涂層的制備方法，其特征在于用于反應生成& (OH)2膠體電解液的鋯酸鹽為其鈉鹽或鉀鹽，堿液為氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的鋁、鎂合金或其復合材料表面熱障涂層的制備方法，其特征在于包括如下的制備工藝步驟1)在去離子水中先加入PH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)pH值為8 12，然后按配制比例加入硅酸鹽和磷酸鹽，制得等離子體電解液；2)在另部分去離子水中先加入pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)pH值為3 7，然后按配制比例加入鋯酸鹽和堿液，制得電泳沉積電解液；3)以鋁、鎂合金及其復合材料為陽極，不銹鋼為陰極，在配好的等離子體電解液中，采用脈沖電源，在恒定電流密度2 30A/dm2，頻率為50 2000HZ，占空比為5 50%，陰陽極板間距離為5 30cm的條件下進行等離子體電解氧化，維持電解液溫度10 50°C，處理時間為2 90min，使鋁、鎂合金及其復合材料表面電解氧化成膜介質(zhì)；4)以經(jīng)過等離子體電解氧化后的鋁、鎂合金及其復合材料為陽極，不銹鋼為陰極，在配好的電泳沉積電解液中，采用脈沖電源，在恒定電流密度5 20A/dm2，頻率為50 500HZ， 占空比為5 30%，陰陽極板間距離為5 30cm的條件下進行電泳沉積，維持電解液溫度 50 90°C，處理時間為2 90min，制得鋁、鎂合金及其復合材料表面熱障涂層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鋁、鎂合金及其復合材料表面熱障涂層的制備方法，其特征是先通過硅酸鹽和磷酸鹽體系等離子體電解液使鋁、鎂合金及其復合材料表面電解氧化成膜介質(zhì)，再在等離子電解氧化膜基礎(chǔ)上以電泳沉積電解液的電泳沉積，制得鋁、鎂合金及其復合材料表面熱障涂層。利用本發(fā)明獲得的等離子體電解氧化-電泳復合陶瓷層表面光滑、結(jié)合牢固、厚度可控且致密少孔、隔熱及抗熱震性能良好，適用于各種尺寸和復雜形狀表面的工作部件。
文檔編號C25D11/30GK102277606SQ20101019623
公開日2011年12月14日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者李建平, 李艷, 楊忠, 王萍, 郭永春 申請人:西安康博新材料科技有限公司