CN101260556B - 一种提高轻合金微弧氧化涂层疲劳寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高轻合金微弧氧化涂层疲劳寿命的方法，本发明涉及金属表面改性技术领域，它解决了现有微弧氧化工艺在提高基体抗磨与抗腐蚀性能的同时，微弧氧化后合金的疲劳寿命显著降低的问题。它步骤如下：首先对轻合金的金属表面打磨抛光、清洗；之后对表面进行纳米化，形成厚度为10～20μm的纳米晶层；最后将表面纳米化后的轻合金置于含有碱性电解液的不锈钢槽体中，通过对微弧氧化电参数的控制，使轻合金的金属表面形成一层纳米晶层与微弧氧化层的复合涂层，厚度控制在10～20μm。本发明显著提高微弧氧化处理后合金的疲劳寿命，可拓展其在交变或冲击应力等严酷条件的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面改性技术领域，具体涉及提高轻合金微弧氧化后疲劳寿命的复合涂层的制备工艺方法。
背景技术
在海洋舰船、飞机、海洋平台以及冶金石化等设备上使用的钛及铝合金微弧氧化涂层，其服役环境比民用行业更为苛刻，要承受严重的腐蚀与交变或冲击载荷。因此，要求涂层在提高基体耐磨抗蚀性能的同时，不显著降低基体的疲劳寿命，提高材料服役可靠性。
目前在海洋舰船与航空领域广泛采用的传统阳极化或硬质阳极化工艺，对基体合金的疲劳损伤较严重，如用传统阳极化工艺在铝合金上制备厚度约8μm的涂层，疲劳寿命约下降15％，在一些场合已不能适用；而硬质阳极化工艺对基体疲劳寿命损伤更加严重。
现有一种微弧氧化(MAO)工艺是靠电解液与电脉冲参数的匹配调节，在阳极电压超过临界值时因微放电产生的局部高温高压作用下，于金属表面生长出以氧化物为基体辅以电解液组分改性的陶瓷化涂层。这种陶瓷化涂层具有高的耐磨损及耐腐蚀性能，陶瓷化涂层与基体结合强度高。用这种方法可以在钛、铝及镁合金表面制备厚度为几微米～100微米的致密陶瓷化涂层，硬度为600～2000Hv，陶瓷化涂层具有良好的整体韧性、耐磨、耐腐蚀、隔热及抗电磁辐射等特性。
虽然微弧氧化涂层在抗磨及耐蚀性能方面显著优于传统阳极化或硬质阳极化工艺。但微弧氧化涂层也会恶化基体合金疲劳性能。微弧氧化引起疲劳损伤的主要原因在于：1)氧化后在邻近膜基界面的基体部分形成的残余拉应力不能缓解；2)引起疲劳裂纹萌生的涂层内部微孔等缺陷不能有效抑制；3)疲劳裂纹萌生后，膜基界面处金属基体较大的晶粒组织不能抑制裂纹扩展。主要为英国航空企业制作涂层的Keronite公司，在其网页上公布，对于不同种类的航空用铝合金，微弧氧化处理后基体的疲劳寿命下降了47％。如何在应用微弧 氧化涂层提高基体抗磨与抗腐蚀性能的同时，通过基体与涂层的组织结构设计，来提高微弧氧化后合金的疲劳寿命或使疲劳寿命不显著降低，是解决制约微弧氧化涂层在交变或冲击应力等严酷条件下使用的关键。
发明内容
本发明为了解决现有微弧氧化工艺在提高基体抗磨与抗腐蚀性能的同时，微弧氧化后合金的疲劳寿命显著降低的问题，而提出了一种提高轻合金微弧氧化涂层疲劳寿命的方法。
本发明的步骤如下：
步骤一：基体前处理：轻合金的金属表面1打磨抛光、清洗；
步骤二：表面纳米化：采用表面纳米化的方法在轻合金的金属表面1上形成厚度为10～20μm的纳米晶层2；
步骤三：微弧氧化：将表面纳米化后的轻合金置于含有碱性电解液的不锈钢槽体中，以轻合金做阳极，不锈钢槽体为阴极；通过对微弧氧化电参数的控制，使轻合金的金属表面1形成一层纳米晶层2与微弧氧化层3的复合涂层4，厚度控制在10～20μm；
上述轻合金可以是铝合金、钛合金和镁合金。
本发明的目的是提出金属表面纳米化与微弧氧化技术复合制备纳米晶层与微弧氧化层新型的多层复合涂层的方法来提高轻合金的疲劳寿命，也就是采用表面纳米化技术在轻合金表层制备出一定厚度的纳米晶层，再在已制备出的纳米晶层基础上进行微弧氧化处理。金属纳米化后的组织会改变微弧放电火花性质，形成少孔隙的更致密涂层，可减小裂纹萌生的敏感性；微弧氧化不会对膜基界面的基体微米级组织产生影响，这是由于氧化时脉冲放电对基体热输入少，因此，微弧氧化不会改变基体纳米晶层的原始组织，可抑制裂纹的萌生；另外，与基体接壤的微弧氧化内层为致密的纳米氧化物层，且与基体纳米晶层成冶金结合，也有利于抑制疲劳裂纹的萌生。而且，本发明的微弧氧化层厚度控制在纳米晶层范围以内，使与膜基界面处基体上层仍保持为纳米晶层，这样通过保留的纳米晶层抑制裂纹萌生；而基体下层晶粒尺寸增加的微晶层组织也可抑制裂纹的萌生与扩展。以提高微弧氧化处理后合金在交变或冲击应力等严酷使用条件下的疲劳寿命。
附图说明
图1是本发明步骤一中金属表面的结构示意图；图2是本发明步骤二中金 属表面纳米化的结构示意图；图3是本发明步骤三中金属表面形成复合涂层的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤如下：
步骤一：基体前处理：轻合金的金属表面1打磨抛光、清洗；
步骤二：表面纳米化：采用表面纳米化的方法在轻合金的金属表面1上形成厚度为10～20μm的纳米晶层2；
步骤三：微弧氧化：将表面纳米化后的轻合金置于含有碱性电解液的不锈钢槽体中，以轻合金做阳极，不锈钢槽体为阴极；通过对微弧氧化电参数的控制，使轻合金的金属表面1形成一层纳米晶层2与微弧氧化层3的复合涂层4，厚度控制在10～20μm。
上述轻合金可以是铝合金、钛合金和镁合金。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于采用表面纳米化使金属表面1表面严重塑性变形，产生大量位错、孪晶或亚晶结构，导致晶粒细化至纳米量级；表面纳米化的振动频率为48Hz、喷射距离为30mm、弹丸直径为3～10mm和喷丸时间15～60min，以获得一层厚为10～20μm的纳米晶层2；表面纳米化采用高能喷丸方法、表面机械研磨方法或超音速喷涂方法。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同点在于步骤三中的微弧氧化过程的能量由可调控高压高频双极脉冲电源提供，脉冲电压为400～600V、频率400～800Hz、占空比4～20％、溶液温度0～50℃。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同点在于步骤三中碱性电解液为硅酸盐，磷酸盐、碳酸盐、钼酸盐、钨酸盐中的一种或几种的混合物。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式是对TC4合金进行微弧氧化，其步骤如下：
步骤一：基体前处理：对TC4合金的金属表面1打磨抛光，再放入装有丙酮的容器后放入超声波清洗装置进行清洗；
步骤二：表面纳米化：调节表面纳米化的振动频率为48Hz、喷射距离为30mm、弹丸直径为3mm、喷丸速率为60mm/s、喷丸时间为30min～60min， 将晶粒尺寸细化至20nm，得到纳米晶层2的厚度为10～20微米；
步骤三：微弧氧化：将表面纳米化后的TC4合金置于含有Na2SiO3 15g/L、(NaPO3)6 10g/L和KOH 4g/L的电解液不锈钢槽体中，调节电源的电压为500V、占空比为8％、频率为600Hz、氧化时间为20min，使TC4合金表面形成一层纳米晶层2与微弧氧化层3复合涂层，厚度控制在10～20μm，即在表面纳米化处理的纳米晶层2原位生成微弧氧化涂层，在合金表面形成了纳米晶层2与微弧氧化层3的复合涂层4。
对采用本发明处理后的TC4合金进行疲劳性能测试，复合涂层的TC4合金试样的疲劳寿命与微弧氧化单一涂层TC4合金试样的疲劳寿命相比，提高了近10％，由此可见本发明在提高合金耐腐抗磨性能的同时，可减小微弧氧化涂层对TC4合金的疲劳寿命的影响。
具体实施方式六：本实施方式是对LY12CZ合金进行微弧氧化，其步骤如下：
步骤一：基体前处理：对LY12CZ合金的金属表面1打磨抛光，再放入装有丙酮的容器后放入超声波清洗装置进行清洗；
步骤二：表面纳米化：调节表面纳米化的振动频率为48Hz、喷射距离为30mm、弹丸直径为3mm、喷丸速率为60mm/s、喷丸时间为30min～60min，将晶粒尺寸细化至20nm～100nm，得到纳米晶层2的厚度为10～20微米；
步骤三：微弧氧化：将表面纳米化后的LY12CZ合金置于含有Na2SiO3 6g/L、NaH2PO4 35g/L、NaOH 1.2g/L和NaAlO24g/L的电解液不锈钢槽体中，调节电源的电压为450V、占空比为8％、频率为600Hz、氧化时间为30min，使LY12CZ合金表面形成一层纳米晶层2与微弧氧化层3复合涂层，厚度控制在10～20μm，即在表面纳米化处理的纳米晶层2原位生成微弧氧化涂层，在合金表面形成了纳米晶层2与微弧氧化层3复合涂层。
对采用本发明处理后的LY12CZ合金进行疲劳性能测试，复合涂层的LY12CZ合金试样的疲劳寿命与微弧氧化单一涂层LY12CZ合金试样的疲劳寿命相比，要高出8～10％，由此可见本发明在提高合金耐腐抗磨性能的同时，可减小微弧氧化涂层对LY12CZ合金的疲劳寿命的影响。
Claims (5)
1.一种提高轻合金微弧氧化涂层疲劳寿命的方法，其特征在于它的步骤如下：
步骤一：基体前处理：轻合金的金属表面(1)打磨抛光、清洗；
步骤二：表面纳米化：采用表面纳米化的方法在轻合金的金属表面(1)上形成厚度为10～20μm的纳米晶层(2)；
步骤三：微弧氧化：将表面纳米化后的轻合金置于含有碱性电解液的不锈钢槽体中，以轻合金做阳极，不锈钢槽体为阴极；通过对微弧氧化电参数的控制，使轻合金的金属表面(1)形成一层纳米晶层(2)与微弧氧化层(3)的复合涂层(4)，厚度控制在10～20μm；
上述轻合金是铝合金、钛合金和镁合金。
2.根据权利要求1所述的一种提高轻合金微弧氧化涂层疲劳寿命的方法，其特征在于步骤二中的表面纳米化过程中，表面纳米化的振动频率为48Hz、喷射距离为30mm、弹丸直径为3～10mm和喷丸时间15～60min。
3.根据权利要求1所述的一种提高轻合金微弧氧化涂层疲劳寿命的方法，其特征在于表面纳米化采用高能喷丸方法、表面机械研磨方法或超音速喷涂方法。
4.根据权利要求1所述的一种提高轻合金微弧氧化涂层疲劳寿命的方法，其特征在于步骤三中的微弧氧化的脉冲电压为400～600V、频率400～800Hz、占空比4～20％、溶液温度0～50℃。
5.根据权利要求1所述的一种提高轻合金微弧氧化涂层疲劳寿命的方法，其特征在于步骤三中碱性电解液为硅酸盐，磷酸盐、碳酸盐、钼酸盐、钨酸盐中的一种或几种的混合物。
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