本發(fā)明屬于腐蝕與防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于航天器的鎂合金的表面處理方法。

背景技術(shù)：

鎂是一種很輕的金屬元素，在地殼中含量豐富、分布廣泛，大約占地球重量的2.35％，同時(shí)也是海水中的第三富有元素，大約占海水重量的0.13％。鎂合金作為一種輕質(zhì)工程材料，具有密度低，比強(qiáng)度和比剛度高，減震性好，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，磁屏性能優(yōu)良、可回收等特點(diǎn)。除此之外，鎂合金還具有優(yōu)秀的切削加工和拋光性能，容易鑄造。鎂合金因具有多種優(yōu)點(diǎn)得到了人們的廣泛關(guān)注，但鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑，耐磨性和耐蝕性較差，阻礙了其應(yīng)用，因而必須對鎂合金進(jìn)行表面防腐處理。

通過不同的表面處理手段，不僅可以在一定程度上解決鎂合金耐蝕、耐磨性差的問題，還可使之具有一定的特殊性能。對鎂合金進(jìn)行微弧氧化表面改性處理是提高其耐蝕、耐磨性的重要方法之一。微弧氧化(MAO)即為重要的表面處理手段之一，其膜層與基體的結(jié)合力比陽極氧化更強(qiáng)，而且具有類似于陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)，因而也稱為陶瓷膜。微弧氧化膜致密且堅(jiān)硬，不僅可以滿足普通的耐蝕、耐磨和裝飾的要求，也可以滿足長時(shí)間的高溫、高壓、高速以及有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境等多種苛刻的服役要求。另外，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，還能夠改善表面絕緣性，并可通過調(diào)整工藝使之具有較好的熱控性能等特殊的功能。

輕量化是目前我國航天器發(fā)展和設(shè)計(jì)的必然趨勢，為了實(shí)現(xiàn)輕量化，主要是通過使用鎂合金來實(shí)現(xiàn)。航天器部分部位的鎂合金構(gòu)件不僅要求耐蝕性好，也要求表面具有半球發(fā)射率較高的黑色膜層。微弧氧化是一種較好的表面處理方式，可以同時(shí)賦予鎂合金表面較好的熱控性能和耐蝕性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)現(xiàn)有制備黑色微弧氧化膜層方法的不足，提出一種新的針對鎂合金的微弧氧化工藝，以提高其耐蝕性和半球發(fā)射率。本發(fā)明具備電解液穩(wěn)定環(huán)保、操作簡單，制備的膜層性能優(yōu)異等特點(diǎn)。

一種用于航天器的鎂合金表面熱控膜層的制備方法，具體包括如下步驟：

一、電解液配制：先將所需質(zhì)量的主成膜劑在1/4體積的水中溶解，然后加入所需質(zhì)量的有機(jī)絡(luò)合劑，攪拌直至完全溶解；酌量向其中加入部分pH調(diào)節(jié)劑，攪拌直至完全溶解得到濃縮液；將所需量的著色劑加入濃縮液，將容器密封；用超聲清洗器或者磁力攪拌器攪拌，直至固體顆粒全部溶解；加水補(bǔ)充至所需體積，攪拌后放置30-50min，測其pH，逐漸添加pH調(diào)節(jié)劑，直至pH達(dá)到預(yù)期范圍，得到微弧氧化電解液，靜置待用；其中微弧氧化電解液中主成膜劑的濃度為5～50g/L，有機(jī)絡(luò)合劑的濃度為1～10g/L，著色劑的濃度為3～30g/L，pH劑調(diào)節(jié)劑的濃度為3～10g/L；

二、前處理：先對鎂合金基體進(jìn)行打磨，暴露出光亮基體且表面相對平滑后，用去離子水沖洗干凈，然后堿洗，堿洗溶液為20～40g/L十水碳酸鈉，10～30g/L氫氧化鈉和0.5～1ml/L OP-10潤濕劑，溶液溫度為70～90℃，保溫處理時(shí)間為5～10min；堿洗后用清水沖洗3～5次，再用去離子水沖洗3～5次，然后需干燥以備裝夾；將待氧化件與鋁導(dǎo)線緊密裝夾，保證導(dǎo)電良好且接觸穩(wěn)固；

三、微弧氧化：將裝夾后的待氧化件完全浸入微弧氧化電解液，導(dǎo)線另一端與電源陽極穩(wěn)固連接；將氣泵裝置安裝就緒；設(shè)定電參數(shù)：電流密度為1A/dm²～20A/dm²，脈沖比為1～3:1，占空比為25％～75％，頻率為50Hz～1000Hz；氧化時(shí)間在10～30min，對氧化完成試樣進(jìn)行清洗、干燥和拆下夾具，得到鎂合金表面熱控膜層。

進(jìn)一步的，步驟一中主成膜劑為磷酸鈉或磷酸銨。

進(jìn)一步的，步驟一中有機(jī)絡(luò)合劑為乙二胺或乙二胺四乙酸。

進(jìn)一步的，步驟一中pH調(diào)節(jié)劑為氫氧化鉀。

進(jìn)一步的，步驟一中著色劑為硫酸銅、硫酸鈷或硫酸錳。

進(jìn)一步的，步驟一中微弧氧化電解液pH需保持在12～14之間。

進(jìn)一步的，堿洗后到待氧化件浸入微弧氧化電解液之前，待氧化件及相關(guān)夾具、導(dǎo)線需保持清潔。

進(jìn)一步的，連接用鋁導(dǎo)線除了與待氧化試樣接觸的部位，其余部位應(yīng)有絕緣皮。

進(jìn)一步的，各部分的連接必須良好且穩(wěn)固，以防在高壓下出現(xiàn)打火現(xiàn)象。

進(jìn)一步的，使用氣泵促進(jìn)微弧氧化電解液循環(huán)，使微弧氧化電解液溫度維持在40℃以下。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一、電解液組分少，含量較低，配制便捷，且不含氰化物或氟化物，更環(huán)保；

二、去掉了氧化前的活化工藝(傳統(tǒng)工藝多用氟化物先進(jìn)行活化)，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)一步減小對環(huán)境的影響；

三、本發(fā)明選擇的有機(jī)絡(luò)合劑更優(yōu)異，不僅添加量少，且能夠保證在較高堿性條件下溶液的穩(wěn)定性；

四、氧化處理時(shí)間短，僅需10～30min，提高生產(chǎn)效率。

五、本發(fā)明可加工各種形狀的物件，膜層均勻，耐腐蝕，耐摩擦，半球發(fā)射率為0.85～0.90，滿足航天的應(yīng)用要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所使用的微弧氧化裝置示意圖；

圖2為試驗(yàn)得到的鎂合金表面熱控膜層的400倍表面微觀形貌；

圖3為試驗(yàn)得到的鎂合金表面熱控膜層的2000倍表面微觀形貌；

圖4為試驗(yàn)得到的鎂合金表面熱控膜層的2000倍截面微觀形貌；

圖5為試驗(yàn)得到的鎂合金表面熱控膜層與鎂合金基體極化曲線對比圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實(shí)施方式，還包括各具體實(shí)施方式的任意組合。

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式是一種用于航天器的鎂合金表面熱控膜層的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、電解液配制。先將所需質(zhì)量的主成膜劑在1/4體積的水中溶解，然后加入所需質(zhì)量的有機(jī)絡(luò)合劑，攪拌直至完全溶解；酌量向其中加入部分pH調(diào)節(jié)劑，攪拌直至完全溶解；將所需量的著色劑加入該濃縮液，將容器密封；用超聲清洗器或者磁力攪拌器攪拌，直至固體顆粒全部溶解；加水補(bǔ)充至所需體積，攪拌后放置約40min，測其pH，逐漸添加pH調(diào)節(jié)劑，直至pH達(dá)到預(yù)期范圍，靜置待用。其中微弧氧化電解液中主成膜劑的濃度為5～50g/L，有機(jī)絡(luò)合劑的濃度為1～10g/L，著色劑的濃度為3～30g/L，pH劑調(diào)節(jié)劑的濃度為3～10g/L。

二、前處理：先對鎂合金基體進(jìn)行打磨，暴露出光亮基體且表面相對平滑后，用去離子水沖洗干凈，然后堿洗，堿洗溶液為20～40g/L十水碳酸鈉，10～30g/L氫氧化鈉和0.5～1ml/L OP-10潤濕劑，溶液溫度為70～90℃，保溫處理時(shí)間為5～10min。堿洗后用清水沖洗3～5次，再用去離子水沖洗3～5次，然后需干燥以備裝夾；將待氧化件與鋁導(dǎo)線緊密裝夾，保證導(dǎo)電良好且接觸穩(wěn)固；

三、微弧氧化。將裝夾后的待氧化件完全浸入電解液，導(dǎo)線另一端與電源陽極穩(wěn)固連接；將氣泵等裝置安裝就緒；設(shè)定電參數(shù)：電流密度為1A/dm²～20A/dm²，脈沖比為1～3:1，占空比為25％～75％，頻率為50Hz～1000Hz。氧化時(shí)間在10～30min。對氧化完成試樣進(jìn)行清洗、干燥和拆下夾具。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一、電解液組分少，含量較低，配制便捷，且不含氰化物或氟化物，更環(huán)保；

二、去掉了氧化前的活化工藝(傳統(tǒng)工藝多用氟化物先進(jìn)行活化)，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)一步減小對環(huán)境的影響；

三、本發(fā)明選擇的有機(jī)絡(luò)合劑更優(yōu)異，不僅添加量少，且能夠保證在較高堿性條件下溶液的穩(wěn)定性；

四、氧化處理時(shí)間短，僅需10～30min，提高生產(chǎn)效率。

五、本發(fā)明可加工各種形狀的物件，膜層均勻，耐腐蝕，耐摩擦，半球發(fā)射率為0.85～0.90.滿足航天的應(yīng)用要求。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)是步驟一中所述的主成膜劑為磷酸鈉或磷酸銨。其他與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二之一不同點(diǎn)是步驟一中所述的有機(jī)絡(luò)合劑為乙二胺或乙二胺四乙酸。其他與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同點(diǎn)是步驟一中所述的pH調(diào)節(jié)劑為氫氧化鉀。其他與具體實(shí)施方式一至三相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同點(diǎn)是步驟一中所述的著色劑為硫酸銅、硫酸鈷或硫酸錳。其他與具體實(shí)施方式一至四相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同點(diǎn)是步驟一中主成膜劑的濃度為10～40g/L，有機(jī)絡(luò)合劑的濃度為3～8g/L，著色劑的濃度為5～20g/L，pH劑調(diào)節(jié)劑的濃度為5～8g/L。其他與具體實(shí)施方式一至五相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同點(diǎn)是步驟一中主成膜劑的濃度為20g/L，有機(jī)絡(luò)合劑的濃度為5g/L，著色劑的濃度為10g/L，pH劑調(diào)節(jié)劑的濃度為6g/L。其他與具體實(shí)施方式一至六相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同點(diǎn)是步驟三中控制電流密度是10A/dm²～20A/dm²。其他與具體實(shí)施方式一至七相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八之一不同點(diǎn)是步驟三中控制電流密度是15A/dm²。其他與具體實(shí)施方式一至八相同。

具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至九之一不同點(diǎn)是步驟三中控制頻率是100Hz～500Hz。其他與具體實(shí)施方式一至九相同。

具體實(shí)施方式十一：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至十之一不同點(diǎn)是步驟三中控制頻率是200Hz。其他與具體實(shí)施方式一至十相同。

采用以下試驗(yàn)證明本發(fā)明的有益效果：

試驗(yàn)：一種用于航天器的鎂合金表面熱控膜層的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、電解液配制。先將所需質(zhì)量的主成膜劑在1/4體積的水中溶解，然后加入所需質(zhì)量的有機(jī)絡(luò)合劑，攪拌直至完全溶解；酌量向其中加入部分pH調(diào)節(jié)劑，攪拌直至完全溶解；將所需量的著色劑加入該濃縮液，將容器密封；用超聲清洗器或者磁力攪拌器攪拌，直至固體顆粒全部溶解；加水補(bǔ)充至所需體積，攪拌后放置約40min，測其pH，逐漸添加pH調(diào)節(jié)劑，直至pH達(dá)到預(yù)期范圍，靜置待用。

步驟一中所述的電解液中主成膜劑的濃度為20g/L，有機(jī)絡(luò)合劑的濃度為5g/L，著色劑的濃度為10g/L，pH劑調(diào)節(jié)劑的濃度為6g/L。

步驟一中所述的電解液中主成膜劑為磷酸銨，有機(jī)絡(luò)合劑為乙二胺，著色劑為硫酸錳，pH劑調(diào)節(jié)劑為氫氧化鉀。

二、前處理：先對鎂合金基體進(jìn)行打磨，暴露出光亮基體且表面相對平滑后，用去離子水沖洗干凈，然后堿洗，堿洗溶液為20～40g/L十水碳酸鈉，10～30g/L氫氧化鈉和0.5～1ml/L OP-10潤濕劑，溶液溫度為70～90℃，保溫處理時(shí)間為5～10min。堿洗后用清水沖洗3～5次，再用去離子水沖洗3～5次，然后需干燥以備裝夾；將待氧化件與鋁導(dǎo)線緊密裝夾，保證導(dǎo)電良好且接觸穩(wěn)固；

步驟二中所述的鎂合金為MB2。

三、微弧氧化。將裝夾后的待氧化件完全浸入電解液，導(dǎo)線另一端與電源陽極穩(wěn)固連接；將氣泵等裝置安裝就緒；設(shè)定電參數(shù)：電流密度為15A/dm²，脈沖比為1:1，占空比為25％，頻率為200Hz。氧化時(shí)間在20min。對氧化完成試樣進(jìn)行清洗、干燥和拆下夾具。

試驗(yàn)得到鎂合金表面熱控陶瓷膜層的性能如下表所示。

使用掃描電鏡對試驗(yàn)得到的鎂合金表面熱控膜層進(jìn)行測試，如圖2，圖3和圖4所示。圖2為試驗(yàn)得到的鎂合金表面熱控膜層表面放大400倍的SEM圖；圖3為試驗(yàn)得到的鎂合金表面熱控膜層表面放大2000倍的SEM圖；圖4為試驗(yàn)得到的鎂合金表面熱控膜層截面放大2000倍的SEM圖。從試樣形貌可以看出，微弧氧化膜層表面呈多孔燒結(jié)狀形貌。圖5為鎂合金基體與鎂合金表面熱控膜層的極化曲線對比圖，從圖5可知，鎂合金經(jīng)過微弧氧化后，腐蝕電位有所提高，腐蝕電流密度降低了4個(gè)數(shù)量級，鎂合金表面熱控膜層具有較好的耐蝕性。