CN100564608C - 两步电化学制备铝基复合材料表面防护涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种属于材料工程技术领域的复合材料表面防护涂层制备方法，本发明具体步骤如下：(1)对复合材料进行表面预处理：采用抛光，除油和酸性活化，获得预处理表面；(2)复合材料阳极氧化：采用硫酸、草酸、硼酸和丙三醇混合溶液作为阳极氧化液，对原位TiB2颗粒增强铝基复合材料进行阳极化处理，在其表面生成一层氧化铝膜；(3)恒电流阴极极化沉积稀土化合物：利用稀土盐混合溶液中的阴极电化学反应，在材料表面获得一层均匀的稀土化合物膜。本发明采用两步电化学方法对复合材料进行表面处理，在复合材料表面获得一定厚度的致密保护膜，提高了该复合材料的抗腐蚀性能，膜层制备过程工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种表面涂层制备方法，具体的说，是一种两步电化学制备铝基复合材料表面防护涂层的方法，属于材料工程技术领域。
背景技术
原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料中，增强颗粒的引入大大提高了该材料的力学性能，使其在众多领域都具有广阔的应用前景。但TiB2增强颗粒存在导致复合材料的抗腐蚀性能要比基体合金低得多，严重限制该材料在某些腐蚀条件较苛刻环境中的使用。这主要是由于TiB2颗粒具有导电性，它与基体铝在腐蚀性环境中极易发生电偶反应，从而加速了铝基体的腐蚀。提高该复合材料的抗腐蚀性能，特别是提高材料表面的耐蚀性，对于该复合材料更好的满足实际工业应用需求尤为重要。
有关提高铝基复合材料表面耐蚀涂层制备工艺的报道主要是针对SiC颗粒增强的复合材料，且工艺方法多模仿铝合金、阳极氧化方法最为多见。
经对现有技术文献的检索发现，贺春林等人在《金属学报》2001：37(8)：869-872撰文“SiCp/2024Al复合材料阳极氧化膜耐蚀性的电化学阻抗研究”，该文提出采用的硫酸电解液对SiCp/2024Al复合材料进行了阳极氧化，用重铬酸钾溶液进行封孔处理，在一定程度上改善了复合材料的耐腐蚀性能，但是试验发现增强颗粒的存在限制了氧化成膜的完整性和均匀性，同时采用的重铬酸盐封孔溶液含有大量的六价铬离子，其毒性大，对环境造成极大的污染，严重危害人体健康。
发明内容
本发明针对上述技术中存在的不足，提供一种两步电化学制备铝基复合材料表面防护涂层的方法，使其一方面弥补了单一阳极氧化复合材料成膜不连续的不足，另一方面采用在稀土盐溶液阴极沉积稀土化合物，来取代有毒的铬酸盐封孔工艺，从而大大提高了复合材料表面的抗腐蚀性能，更适合于工业上的推广应用。
本发明通过以下技术方案实施，本发明采用混合酸阳极氧化电解液，在复合材料表面制备氧化铝膜，再以氧化铝膜作为阴极，在稀土盐混合溶液中进行恒电流阴极极化，使稀土化合物在材料表面沉积。通过两步电化学表面处理有效提高原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料表面耐腐蚀性能。
本发明具体步骤如下：
(1)对复合材料进行表面预处理：采用抛光、除油和酸性活化，获得预处理表面；
(2)复合材料阳极氧化：采用硫酸、草酸、硼酸和丙三醇混合溶液作为阳极氧化液，对原位TiB2颗粒增强铝基复合材料进行阳极化处理，在其表面生成一层氧化铝膜；
(3)恒电流阴极极化沉积稀土化合物：利用稀土盐混合溶液中的阴极电化学反应，在材料表面获得一层均匀的稀土化合物膜。
所述步骤(1)中，抛光方法为：依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再机械抛光。
所述步骤(1)中，除油所用的除油液为丙酮溶液。
所述步骤(1)中，酸性活化具体为：浸入硝酸和氢氟酸混合溶液中活化10-20s，硝酸和氢氟酸体积比为3∶1。
所述步骤(2)中，阳极氧化液采用去离子水配制，各成分所占质量百分含量如下：15.0-20.0％硫酸、1.0-2.0％草酸、0.03-0.05％硼酸和0.03-0.05％丙三醇。
所述步骤(2)中，阳极氧化工艺参数为：电流密度为1.0-1.5A/dm2，氧化温度为15℃，氧化时间为0.5-1h。
所述步骤(3)中，阴极极化中采用的稀土盐混合溶液成分：氯化亚铈或硫酸铈浓度范围为1.5-2.5×10-3mol/L，丙三醇浓度范围为0.3-0.5ml/L。
所述步骤(3)中，阴极沉积工艺为：将氧化膜作为阴极，铅板作为阳极，电流密度1.0-2.0mA/dm2，处理温度25℃，处理时间为0.5-1.5h。
本发明具有实质性特点和显著进步，采用两步电化学方法，即先阳极氧化，后阴极极化的制备工艺：通过先阳极氧化在复合材料表面制备氧化铝膜，消除导电颗粒TiB2与基体铝之间发生电偶反应的可能性，利用阳极氧化膜的双极性和TiB2颗粒的导电性，采用阴极沉积工艺在稀土盐溶液中极化氧化膜和TiB2颗粒，通过溶液中的电化学反应在阴极的氧化膜多孔层和TiB2颗粒表面上沉积一层均匀的稀土化合物膜。本发明弥补了复合材料阳极氧化膜连续性差的不足，消除了传统铬酸盐封孔工艺对环境和人体带来的危害。采用该工艺在原位TiB2颗粒增强铝基复合材料表面制备的防护涂层，在NaCl溶液中进行电化学测试，腐蚀电流密度与未处理的材料相比，下降了2-3个数量级。这表明保护涂层具有优良抗腐蚀性能。该工艺操作简便、适用性强。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
1)复合材料依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再进行机械抛光。在丙酮溶液除油后，浸入硝酸和氢氟酸混合溶液(体积比3∶1)中活化10s；
2)采用浓度为15.0％硫酸、1.5％草酸、0.05％硼酸和0.05％丙三醇混合液作为电解液，在1.5A/dm2，15℃下对复合材料进行0.5h阳极氧化，生成厚度12-15μm的氧化铝膜；
3)将氧化膜作为阴极，铅板作为阳极，进行阴极极化处理。稀土盐溶液成分：氯化亚铈浓度1.5×10-3mol/L，丙三醇浓度0.3ml/L，电流密度1.0mA/dm2，处理温度25℃，处理时间0.5小时。
在3.5wt.％NaCl溶液中进行电化学试验，结果表明：经过表面处理的试样与未处理的试样相比，抗腐蚀性能明显提高，腐蚀电流密度从10-5A/cm2数量级，降低到10-7A/cm2数量级，这一腐蚀电流密度与铬酸盐封孔的氧化膜的腐蚀电流已处于同一个数量级。
实施例2
1)复合材料依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再进行机械抛光。在丙酮溶液除油后，浸入硝酸和氢氟酸混合溶液(体积比3∶1)中活化20s；
2)采用浓度为18.0％硫酸、2.0％草酸、0.04％硼酸和0.03％丙三醇混合液作为电解液，在1.5A/dm2，15℃下对复合材料进行1h阳极氧化，生成厚度20-25μm的氧化铝膜；
3)将氧化膜作为阴极，铅板作为阳极，进行阴极极化处理。稀土盐溶液成分：氯化亚铈浓度2.5×10-3mol/L，丙三醇浓度0.5ml/L，电流密度1.5mA/dm2，处理温度25℃，处理时间1小时。
在3.5wt.％NaCl溶液中进行电化学试验，结果表明：经过表面处理的试样与未处理的试样相比，抗腐蚀性能明显提高，腐蚀电流密度从10-5A/cm2数量级，降低到10-8A/cm2数量级。
实施例3
1)复合材料依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再进行机械抛光。在丙酮溶液除油后，浸入硝酸和氢氟酸混合溶液(体积比3∶1)中活化15s；
2)采用浓度为20.0％硫酸、1.0％草酸、0.03％硼酸和0.04％丙三醇混合液作为电解液，在1.0A/dm2，15℃下对复合材料进行1h阳极氧化，生成厚度20-25μm的氧化铝膜；
3)将氧化膜作为阴极，铅板作为阳极，进行阴极极化处理。稀土盐溶液成分：硫酸铈浓度2.5×10-3mo1/L，丙三醇浓度0.5ml/L，电流密度2.0mA/dm2，处理温度25℃，处理时间1.5小时。
在3.5wt.％NaCl溶液中进行电化学试验，结果表明：经过表面处理的试样与未处理的试样相比，抗腐蚀性能明显提高，腐蚀电流密度从10-5A/cm2数量级，降低到10-8A/cm2数量级。
实施例4
1)复合材料依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再进行机械抛光。在丙酮溶液除油后，浸入硝酸和氢氟酸混合溶液(体积比3∶1)中活化15s；
2)采用浓度为20.0％硫酸、1.0％草酸、0.03％硼酸和0.04％丙三醇混合液作为电解液，在1.2A/dm2，15℃下对复合材料进行0.75h阳极氧化，生成厚度18-22μm的氧化铝膜；
3)将氧化膜作为阴极，铅板作为阳极，进行阴极极化处理。稀土盐溶液成分：硫酸铈浓度2.0×10-3mol/L，丙三醇浓度0.4ml/L，电流密度2.0mA/dm2，处理温度25℃，处理时间1小时。
在3.5wt.％NaCl溶液中进行电化学试验，结果表明：经过表面处理的试样与未处理的试样相比，抗腐蚀性能明显提高，腐蚀电流密度从10-5A/cm2数量级，也降低到10-8A/cm2数量级。
Claims (7)
1.一种两步电化学制备铝基复合材料表面防护涂层的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)对复合材料进行表面预处理：采用抛光、除油和酸性活化，获得预处理表面；
所述的酸性活化具体为：浸入硝酸和氢氟酸混合溶液中活化10-20s，硝酸和氢氟酸体积比为3∶1；
(2)复合材料阳极氧化：采用硫酸、草酸、硼酸和丙三醇混合溶液作为阳极氧化液，对原位TiB2颗粒增强铝基复合材料进行阳极化处理，在其表面生成一层氧化铝膜；
(3)恒电流阴极极化沉积稀土化合物：利用稀土盐混合溶液中的阴极电化学反应，在材料表面获得一层均匀的稀土化合物膜。
2.根据权利要求1所述的两步电化学制备铝基复合材料表面防护涂层的方法，其特征是，所述步骤(1)中，抛光方法为：依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再机械抛光。
3.根据权利要求1所述的两步电化学制备铝基复合材料表面防护涂层的方法，其特征是，所述步骤(1)中，除油所用的除油液为丙酮溶液。
4.根据权利要求1所述的两步电化学制备铝基复合材料表面防护涂层的方法，其特征是，所述步骤(2)中，阳极氧化液采用去离子水配制，各成分所占质量百分含量如下：15.0-20.0％硫酸、1.0-2.0％草酸、0.03-0.05％硼酸和0.03-0.05％丙三醇。
5.根据权利要求1所述的两步电化学制备铝基复合材料表面防护涂层的方法，其特征是，所述步骤(2)中，阳极氧化工艺参数为：电流密度为1.0-1.5A/dm2，氧化温度为15℃，氧化时间为0.5-1h。
6.根据权利要求1所述的两步电化学制备铝基复合材料表面防护涂层的方法，其特征是，所述步骤(3)中，稀土盐混合溶液成分：氯化亚铈或硫酸铈浓度范围为1.5-2.5×10-3mol/L，丙三醇浓度范围为0.3-0.5ml/L。
7.根据权利要求1所述的两步电化学制备铝基复合材料表面防护涂层的方法，其特征是，所述步骤(3)中，阴极沉积工艺为：将氧化膜作为阴极，铅板作为阳极，电流密度1.0-2.0mA/dm2，处理温度25℃，处理时间为0.5-1.5h。
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