一種耐用的表面涂層的制備方法及系統(tǒng)本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?01210143986.9、申請(qǐng)日2012年05月10日的發(fā)明專利的分案申請(qǐng)。技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種表面涂層的制備方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
鋁合金存在熔點(diǎn)低、傳熱快、高溫易氧化等缺陷，嚴(yán)重限制了鋁合金在高溫環(huán)境下的使用范圍，氧化鋯作為優(yōu)異的隔熱涂層得到各國(guó)的重視，并進(jìn)行了大量的研究，由于鋁合金材料特性決定了難以采用常規(guī)方法在其表面制備氧化鋯陶瓷涂層。氧化鋯陶瓷涂層現(xiàn)有制備工藝存在涂層結(jié)合力不足、容易脆裂，故使用壽命不長(zhǎng)，且現(xiàn)有制備工藝如等離子噴涂、電子束物理氣相沉積等技術(shù)手段由于需要高溫熔化氧化鋯再蒸發(fā)沉積到工件基體表面，故只能在鋼、復(fù)合材料等高熔點(diǎn)材料表面制備涂層，且由于涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)的差異易造成涂層冷卻到室溫過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，影響涂層結(jié)合力，限制了氧化鋯在鋁合金等輕合金材料表面的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)異隔熱性能、使用壽命長(zhǎng)的鋁合金元件表面涂層的制備方法。本發(fā)明目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種表面涂層的制備方法，其特征在于：它包括依次對(duì)鋁合金元件表面進(jìn)行預(yù)處理、制備鋁合金元件表面起弧阻擋層、制備鋁合金表面隔熱復(fù)合陶瓷涂層和后處理；所述鋁合金元件表面起弧阻擋層的制備是在以NaOH、Na2SiO3、(NaPO3)6、K2ZrF6組成的去離子水電解液體系中進(jìn)行涂層，所述涂層是以鋁合金元件工裝夾于高壓直流脈沖電源的陽(yáng)極、鋁合金元件工裝連接于電源的陰極，涂層制備起弧阻擋層，其中電流密度3～5A/dm2，頻率800～1000Hz，正脈沖的脈寬30％～50％，處理時(shí)間20～45min；在制備鋁合金元件表面的起弧阻擋層后，進(jìn)行鋁合金表面隔熱復(fù)合陶瓷涂層的制備，具體是將所述表面具有起弧阻擋層的鋁合金元件在以NaOH、Na2SiO3、(NaPO3)6、Zr(NO3)4、Y(NO3)3、Al(NO3)3，以及納米ZrO2和水性耐高溫?zé)o機(jī)粘結(jié)劑為組成成分的去離子水電解液體系中進(jìn)行涂層，所述涂層是將制備有起弧阻擋層的鋁合金工件裝夾于高壓直流脈沖電源的陰極，工裝連接于電源的陽(yáng)極，同時(shí)加入正、負(fù)向電壓，其中電流密度5～8A/dm2，頻率800～1200Hz，正脈沖的脈寬取20％～50％，正負(fù)脈沖比1:1、1:2或2:1，處理時(shí)間30～100min。上述各成分均為市售產(chǎn)品；按以上制備方法首先制得的是Al2O3質(zhì)量百分含量為88％-95％作為Al2O3主相、ZrO2質(zhì)量百分含量為5-12％的鋁合金元件表面起弧阻擋層，最終制得的是ZrO2質(zhì)量百分含量為75％-85％作為ZrO2主相、Y2O3質(zhì)量百分含量為5-10％、Al2O3質(zhì)量百分含量為10-20％的鋁合金表面隔熱復(fù)合陶瓷涂層。具體地說(shuō)，一種鋁合金元件表面涂層的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：a.鋁合金元件表面的預(yù)處理：將鋁合金元件采用超聲波清洗儀進(jìn)行除塵、除油清洗，再采用H3PO4與Al(OH)3反應(yīng)，得到磷酸二氫鋁溶膠的水溶液處理液，將鋁合金元件浸入該溶液中2～3min，以除去鋁合金表面的氧化皮，處理后用去離子水清洗，再將鋁合金元件浸入10～20g/LNaOH溶液進(jìn)行表面堿洗和鈍化處理至少5分鐘；b.鋁合金元件表面起弧阻擋層的制備所述鋁合金元件表面起弧阻擋層的制備是在以NaOH、Na2SiO3、(NaPO3)6、K2ZrF6組成的去離子水電解液體系中進(jìn)行涂層，其中NaOH8g/L、Na2SiO320g/L、(NaPO3)610g/L、K2ZrF625g/L，所述涂層是以鋁合金元件工裝夾于高壓直流脈沖電源的陽(yáng)極、鋁合金元件工裝連接于電源的陰極進(jìn)行涂層制備起弧阻擋層，涂層制備過(guò)程中不加入負(fù)電壓，其中電流密度4A/dm2，頻率950Hz，正脈沖的脈寬40％，處理時(shí)間33min，電壓在0～400V；按上述步驟得到Al2O3質(zhì)量百分含量為95％的Al2O3主相、ZrO2質(zhì)量百分含量為5％的鋁合金元件表面起弧阻擋層；c.鋁合金表面隔熱復(fù)合陶瓷涂層的制備在制備鋁合金元件表面的起弧阻擋層后，進(jìn)行鋁合金表面隔熱復(fù)合陶瓷涂層的制備，具體是將所述表面具有起弧阻擋層的鋁合金元件在以NaOH、Na2SiO3、(NaPO3)6、Zr(NO3)4、Y(NO3)3、Al(NO3)3，以及納米ZrO2和納米稀土氧化物復(fù)合水性無(wú)機(jī)粘結(jié)劑為組成成分的去離子水電解液體系中進(jìn)行涂層，其中NaOH6g/L、Na2SiO316g/L、(NaPO3)68g/L、Zr(NO3)420g/L、Y(NO3)38g/L、Al(NO3)310g/L，所述納米ZrO2為粒徑20-40nm的納米ZrO2，其加入量為30g/L；納米稀土氧化物復(fù)合水性無(wú)機(jī)粘結(jié)劑是氧化鑭、氧化釔或/和氧化鈰經(jīng)聚縮反應(yīng)制得的耐高溫復(fù)合水性無(wú)機(jī)粘接劑，為市售產(chǎn)品，其用量為32g/L；所述涂層是將制備有起弧阻擋層的鋁合金工件裝夾于高壓直流脈沖電源的陰極，工裝連接于電源的陽(yáng)極，同時(shí)加入正、負(fù)向電壓，其中電流密度6A/dm2，頻率1000Hz，正脈沖的脈寬取40％，正負(fù)脈沖比1:2，正負(fù)電壓比3:1，處理時(shí)間75min，正電壓0～560V、負(fù)電壓0～300V；按上述步驟得到ZrO2質(zhì)量百分含量為75％-85％的ZrO2主相、Y2O3質(zhì)量百分含量為5-10％、Al2O3質(zhì)量百分含量為10-20％的鋁合金表面隔熱復(fù)合陶瓷涂層；上述兩種電解液體系中的化學(xué)成分優(yōu)選采用分析純?cè)噭?，配制以去離子水作為溶劑，去離子水水質(zhì)要求優(yōu)選10MΩ·cm@25℃及以上，高純度(三次蒸餾及以上)的蒸餾水可以更好的取代去離子水作為溶劑，酒精采用純度為99.7％及以上的分析純；d.后處理對(duì)經(jīng)步驟c處理后的具涂層的鋁合金元件進(jìn)行清洗，然后采用電吹風(fēng)將具涂層鋁合金元件吹干即可；優(yōu)選地，為了得到更進(jìn)一步提高制得的鋁合金元件耐高溫性能，在上述后處理后還對(duì)具涂層鋁合金元件進(jìn)行封孔處理，具體是采用ZrO2改性的有機(jī)硅酚醛樹(shù)脂(為市售產(chǎn)品)對(duì)涂層鋁合金元件進(jìn)行均勻噴涂。上述鋁合金元件表面涂層的制備系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)由不銹鋼溶液槽、工裝、鋁合金元件、攪拌器、溫度計(jì)、冷卻水循環(huán)散熱裝置和電源設(shè)備組成，其中不銹鋼溶液槽內(nèi)盛有上述電解液，不銹鋼溶液槽內(nèi)設(shè)置有溫度計(jì)、攪拌器、工裝和鋁合金元件，并且均浸在所述電解液中，其中鋁合金元件設(shè)置在工裝內(nèi)，電源設(shè)備的正、負(fù)極與鋁合金元件、工裝分別連接；所述冷卻水循環(huán)散熱裝置設(shè)置在不銹鋼溶液槽下部通過(guò)管道與不銹鋼溶液槽連通。本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明制備方法制得的鋁合金元件表面涂層為ZrO2-Y2O3-Al2O3隔熱復(fù)合陶瓷涂層；本發(fā)明利用了氧化鋯存在c-ZrO2→t-ZrO2(2370℃)和t-ZrO2(2370℃)→M-ZrO2(1170℃)的相變特性，引入了氧化鋁、氧化釔陶瓷成分使高溫穩(wěn)定的c-ZrO2和t-ZrO2相也能在室溫穩(wěn)定或亞穩(wěn)定存在，對(duì)氧化鋯涂層起到了增韌作用，以進(jìn)一步提高氧化鋯涂層在鋁合金表面的結(jié)合力；同時(shí)，氧化鋁、氧化釔優(yōu)異的高溫性能對(duì)氧化鋯涂層的隔熱性能形成補(bǔ)強(qiáng)作用，進(jìn)一步提高了涂層隔熱性能。該復(fù)合陶瓷涂層主要由氧化鋯、氧化釔、氧化鋁等氧化物陶瓷相組成，形成以氧化鋯為主相，氧化鋁、氧化釔增韌的復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)，非主相成分氧化鋁、氧化釔對(duì)主相氧化鋯具有增韌和相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用，主相氧化鋯的熔點(diǎn)為2677℃，導(dǎo)熱率為0.92w·m·K-1，熱膨脹系數(shù)為10×10-6·℃-1，具有熔點(diǎn)高、高溫導(dǎo)熱率低、熱膨脹系數(shù)與鋁基體接近等特性。本發(fā)明制得的鋁合金元件表面涂層具有高韌性、與鋁合金元件表面結(jié)合力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明涂層厚度在350um左右時(shí)結(jié)合力在7.5Mpa-10Mpa，其使用壽命長(zhǎng)，隔熱性能優(yōu)異。發(fā)明人通過(guò)長(zhǎng)期的理論研究和大量的試驗(yàn)，解決了鋁合金元件無(wú)法低溫制備出氧化鋯為主相的復(fù)合陶瓷涂層，難以滿足2000℃以上高溫短時(shí)的使用要求，提高了鋁合金元件的隔熱性能，本發(fā)明制得的鋁合金元件在2000℃以上的高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了可靠使用10s-30s；本發(fā)明方法不僅適用于小型鋁合金元件，也適用于大型鋁合金零部件；不僅適用于圓形、方形等規(guī)則形狀的鋁合金元件，也適用于橢圓形、扁形等任意形狀的鋁合金元件。本發(fā)明鋁合金元件表面涂層的制備系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，便于工業(yè)化推廣。附圖說(shuō)明圖1：為實(shí)施例1制得的ZrO2-Y2O3-Al2O3復(fù)合陶瓷涂層表面微觀形貌圖；圖2：為實(shí)施例1制得的ZrO2-Y2O3-Al2O3復(fù)合陶瓷涂層斷面微觀形貌圖；圖3：為實(shí)施例1制得的ZrO2-Y2O3-Al2O3復(fù)合陶瓷涂層能譜分析結(jié)果圖；圖4：為本發(fā)明鋁合金元件表面涂層制備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1-冷卻水循環(huán)散熱裝置，2-攪拌器，3-電解液，4-工裝，5-鋁合金元件，6-溫度計(jì)，7-不銹鋼溶液槽，8-電源設(shè)備；圖5：為實(shí)施例1制備鋁合金元件表面起弧阻擋層的電源輸出的脈沖波形，其中T:周期，f:脈寬；圖6：為實(shí)施例1制備鋁合金表面隔熱復(fù)合陶瓷涂層的電源輸出的脈沖波形，其中T:周期，f:脈寬；圖7：為本發(fā)明鋁合金元件表面涂層制備系統(tǒng)中電源設(shè)備的主電路原理圖。具體實(shí)施方式下面通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述，有必要在此指出的是，以下實(shí)例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容對(duì)本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。實(shí)施例1一種鋁合金元件表面涂層的制備系統(tǒng)，如圖4所示，由不銹鋼溶液槽7、工裝4、鋁合金元件5、攪拌器2、溫度計(jì)6、冷卻水循環(huán)散熱裝置1和電源設(shè)備8組成，其中不銹鋼溶液槽7內(nèi)盛有上述電解液3，不銹鋼溶液槽7內(nèi)設(shè)置有溫度計(jì)6、攪拌器2、工裝4和鋁合金元件5，并且均浸在所述電解液3中，其中鋁合金元件5設(shè)置在工裝4內(nèi)，電源設(shè)備8的正、負(fù)極與鋁合金元件5、工裝4分別連接；所述冷卻水循環(huán)散熱裝置1設(shè)置在不銹鋼溶液槽7下部通過(guò)管道與不銹鋼溶液槽7連通；其中電源設(shè)備8為市售產(chǎn)品，其主電路原理圖參見(jiàn)圖7。采用該系統(tǒng)制備鋁合金元件表面涂層，按以下步驟進(jìn)行：(1)高壓直流脈沖電源及鋁合金元件工裝的準(zhǔn)備：采用正負(fù)電壓對(duì)稱、正負(fù)電壓可調(diào)、正負(fù)脈沖比可調(diào)及正負(fù)脈沖脈寬、頻率可調(diào)的高電壓直流脈沖電源；正負(fù)電壓都在700V以上，正負(fù)電壓可在0～700V之間平滑可調(diào)，正負(fù)脈沖比可進(jìn)行1:2、2:1、1:1三種模式可調(diào)，正負(fù)脈沖寬度可在0～100％之間可調(diào)，正負(fù)脈沖的頻率可在300Hz～3000Hz之間可調(diào)，該電源配套的電解液槽有冷卻能力，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溶液溫度保持在30℃以下；并針對(duì)鋁合金元件的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)出涂層制備所需要的鋁合金元件工裝，該工裝同時(shí)作為涂層制備的另外一個(gè)電極，故該工裝需牢固裝夾鋁合金元件和具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，此外還需與鋁合金元件制備涂層的處理面呈匹配關(guān)系，保證工裝與鋁合金之間的電場(chǎng)均勻性，工裝最好采用與鋁合金元件相同的材料，以保證工裝與鋁合金元件之間的對(duì)稱性；采用粒度在600目以上的砂紙對(duì)工裝進(jìn)行打磨，使磨損面表面粗糙度在Ra0.47以上；(2)鋁合金元件表面的預(yù)處理：將鋁合金元件采用超聲波清洗儀進(jìn)行除塵、除油清洗，再采用H3PO4與Al(OH)3反應(yīng)，得到磷酸二氫鋁溶膠的水溶液處理液，將鋁合金元件浸入該溶液中2～3min，以除去鋁合金表面的氧化皮，處理后用去離子水清洗，再將鋁合金元件浸入10～20g/LNaOH溶液進(jìn)行表面堿洗和鈍化處理至少5分鐘；(3)鋁合金元件表面起弧阻擋層的制備所述鋁合金元件表面起弧阻擋層的制備是在以NaOH、Na2SiO3、(NaPO3)6、K2ZrF6組成的去離子水電解液體系中進(jìn)行涂層，其中NaOH8g/L、Na2SiO320g/L、(NaPO3)610g/L、K2ZrF625g/L，所述涂層是以鋁合金元件工裝夾于高壓直流脈沖電源的陽(yáng)極、鋁合金元件工裝連接于電源的陰極進(jìn)行涂層制備起弧阻擋層，涂層制備過(guò)程中不加入負(fù)電壓，其中電流密度4A/dm2，頻率950Hz，正脈沖的脈寬40％，處理時(shí)間33min；其電源設(shè)備使用的電源輸出的脈沖波形見(jiàn)圖5所示。按上述步驟得到Al2O3質(zhì)量百分含量為95％的Al2O3主相、ZrO2質(zhì)量百分含量為5％的鋁合金元件表面起弧阻擋層；(4)鋁合金表面隔熱復(fù)合陶瓷涂層的制備在制備鋁合金元件表面的起弧阻擋層后，進(jìn)行鋁合金表面隔熱復(fù)合陶瓷涂層的制備，具體是將所述表面具有起弧阻擋層的鋁合金元件在以NaOH、Na2SiO3、(NaPO3)6、Zr(NO3)4、Y(NO3)3、Al(NO3)3，以及納米ZrO2和納米稀土氧化物復(fù)合水性無(wú)機(jī)粘結(jié)劑為組成成分的去離子水電解液體系中進(jìn)行涂層，其中NaOH6g/L、Na2SiO316g/L、(NaPO3)68g/L、Zr(NO3)420g/L、Y(NO3)38g/L、Al(NO3)310g/L，所述納米ZrO2為粒徑20-40nm的納米ZrO2，其加入量為30g/L；納米稀土氧化物復(fù)合水性無(wú)機(jī)粘結(jié)劑是氧化鑭、氧化釔或/和氧化鈰經(jīng)聚縮反應(yīng)制得的耐高溫復(fù)合水性無(wú)機(jī)粘接劑，為市售產(chǎn)品，其用量為32g/L；所述涂層是將制備有起弧阻擋層的鋁合金工件裝夾于高壓直流脈沖電源的陰極，工裝連接于電源的陽(yáng)極，同時(shí)加入正、負(fù)向電壓，其中電流密度6A/dm2，頻率1000Hz，正脈沖的脈寬取40％，正負(fù)脈沖比1:1，正負(fù)電壓比3:1，處理時(shí)間75min；其電源設(shè)備使用的電源輸出的脈沖波形見(jiàn)圖6所示。上述兩種電解液體系中的化學(xué)成分采用分析純?cè)噭?，配制以去離子水作為溶劑，去離子水水質(zhì)要求優(yōu)選10MΩ·cm@25℃及以上或高純度(三次蒸餾及以上)的蒸餾水，酒精采用純度為99.7％及以上的分析純；(5)后處理對(duì)經(jīng)步驟c處理后的具涂層的鋁合金元件進(jìn)行清洗，然后采用電吹風(fēng)將具涂層鋁合金元件吹干；在上述后處理后還對(duì)具涂層鋁合金元件進(jìn)行封孔處理，具體是采用ZrO2改性的有機(jī)硅酚醛樹(shù)脂(為市售產(chǎn)品)對(duì)涂層鋁合金元件進(jìn)行均勻噴涂，并在160～180℃溫度范圍內(nèi)對(duì)有機(jī)硅酚醛樹(shù)脂進(jìn)行固化5h及以上。上述制得的鋁合金元件表面涂層具有高韌性、與鋁合金元件表面結(jié)合力強(qiáng)(采用帶涂層的圓形試樣拉開(kāi)法測(cè)試結(jié)合力)。采用GJB323A-1996《燒蝕材料燒蝕試驗(yàn)方法》測(cè)試帶涂層的試樣隔熱性能：在2200-2500℃的高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了可靠使用20s-24s，完全滿足了鋁合金元件在高溫下短時(shí)使用要求。其制得的ZrO2-Y2O3-Al2O3復(fù)合陶瓷涂層參見(jiàn)圖1、圖2、圖3所示。實(shí)施例2-4：按以下原料和工藝參數(shù)進(jìn)行，其余同實(shí)施例1。上述制得的鋁合金元件表面涂層具有高韌性、與鋁合金元件表面結(jié)合力強(qiáng)，在2000-3000℃的高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了可靠使用15s-28s，滿足了其在高溫環(huán)境下的使用要求。