CN101306418A - 一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法，它涉及一种在轻合金表面制备复合涂层的方法。本发明解决了目前在轻合金表面制备复合涂层的方法存在所制备的涂层隔热与抗烧蚀等防热性能差，或者结合力差、容易剥落失效，涂层质量和厚度难控的缺陷。本发明在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法按如下步骤进行：一、除油、连接；二、通电；三、干燥；四、配制喷涂液；五、涂覆、干燥；六、重复操作步骤五；即在轻合金表面制备出防腐隔热抗烧蚀复合涂层。本发明在轻合金表面制备的复合涂层具有好的防腐、隔热和抗烧蚀的性能，涂层与基体的结合力高。
Description
技术领域
本发明涉及一种在轻合金表面制备复合涂层的方法。
背景技术
当航空航天器在大气层中飞行时，表面温度将迅速上升。导致飞行器结构材料的高强度金属和复合材料的力学性能将下降，同时严重影响航天器内部的热环境。因此，必须采取隔热和抗烧蚀措施，以防止高温条件下结构材料的强度和刚度受到较大损失，并有效控制粒子流侵蚀，保证舱内仪器设备正常工作环境，使其工作温度不超过或低于允许范围，以提高飞行器的可靠性。目前在轻合金表面制备复合涂层的方法存在所制备的涂层隔热与抗烧蚀等防热性能差，或者结合力差、容易剥落失效，涂层质量和厚度难控的缺陷。
发明内容
本发明为了解决目前在轻合金表面制备复合涂层的方法存在所制备的涂层隔热与抗烧蚀等防热性能差，或者结合力差、容易剥落失效，涂层质量和厚度难控的缺陷，而提供一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法。
本发明在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法按如下步骤进行：一、轻合金表面进行除油处理后将脉冲电源的正极输出端与轻合金连接、脉冲电源的负极输出端与不锈钢连接，然后将轻合金与不锈钢放到电解槽中，并使电解槽中的碱性电解液没过轻合金与不锈钢，保证轻合金与不锈钢在电解槽内不接触；二、接通电源，控制脉冲电源的输出电压为400～650V，频率为400～800Hz，占空比为4％～20％，输出时间为30～100min，通电过程中控制电解液的温度低于50℃，得到表面微弧氧化的轻合金；三、将步骤二得到的表面微弧氧化的轻合金从电解槽中取出并用水进行冲洗，在80℃的条件下干燥20min；四、将陶瓷填料加入到液态的环氧树脂或酚醛树脂中，使陶瓷填料在混合液中的质量分数为5％～30％，以80r/min的速度机械搅拌30～60min或者用超声波搅拌5～20min，得到喷涂液；五、将步骤四的喷涂液喷涂或涂刷到步骤三干燥好的表面微弧氧化的轻合金的表面，涂覆后自然晾置15分钟，再在60℃的条件下干燥1.5小时；六、重复操作步骤五7～20次；即在轻合金表面制备出防腐隔热抗烧蚀复合涂层。
本发明在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法中步骤四的陶瓷填料为ZrO2、SiO2、Al2O3、玻璃空心微球、碳空心微球或莫来石空心微球中一种或几种的组合。
本发明用于制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的轻合金基体材料可以是铝合金、镁合金、钛合金等，本发明的方法可以用于在任何形状、大小的轻合金基体上防腐隔热抗烧蚀复合涂层的制备。本发明在轻合金表面制备的防腐隔热抗烧蚀复合涂层厚度为1.5～3.5mm，形成的陶瓷层作为复合涂层的底层，与基体结合强度50MPa；具有良好的抗热震性，在500℃-冷水(20℃)的环境中快速冷热循环50次涂层不脱离，说明涂层与基体的结合力高。
本发明制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的原理为：将需要在合金表面制备涂层的轻合金作为阳极，不锈钢作为阴极，在碱性电解液中进行微弧氧化，氧化过程中的能量由可调控高压高频双极脉冲电源提供，当外加电压超过置于电解液中轻合金零件表面绝缘膜的临界电压时，轻合金基体表面产生的火花放电将基体氧化并形成致密的氧化物陶瓷底层，该层厚度10～60微米，具有低的热导率，高抗腐蚀与抗磨等性能。然后将喷涂液喷涂或涂刷到微弧氧化的轻合金多微孔陶瓷底层表面，形成的复合外层嵌入到底层的多微孔表面，提高外层与底层的结合力。喷涂液中加入了颗粒状陶瓷填料(ZrO2、SiO2、Al2O3)和/或空心微球陶瓷(玻璃空心微球、碳空心微球、莫来石空心微球)，增加了复合涂层的隔热和抗烧蚀效果，本发明制备的防腐隔热抗烧蚀复合涂层具有良好的隔热性能：在450℃的环境温度下，在360s以内，1.5mm厚的铝板在本发明制备的复合涂层保护下，其背壁温度＜240℃；氧-乙炔烧蚀的线烧蚀率＜0.07mm/s，质量烧蚀率＜0.07g/s，在2200℃氧-乙炔火焰下烧蚀持续25s，背壁温度升高不超过400℃，背面无变化，说明本发明制备的防腐隔热抗烧蚀复合涂层具有良好的隔热和抗烧蚀性能。
附图说明
图1为具体实施方式九制备的涂层截面形貌图，图1中1为轻合金基体金属，图1中2为微弧氧化陶瓷底层，图1中3为填料增强酚醛树脂涂层；图2为具体实施方式十制备的涂层截面形貌图，图2中1为轻合金基体金属，图2中2为微弧氧化陶瓷底层，图2中3为填料增强酚醛树脂涂层。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法按如下步骤进行：一、轻合金表面进行除油处理后将脉冲电源的正极输出端与轻合金连接、脉冲电源的负极输出端与不锈钢连接，然后将轻合金与不锈钢放到电解槽中，并使电解槽中的碱性电解液没过轻合金与不锈钢，保证轻合金与不锈钢在电解槽内不接触；二、接通电源，控制脉冲电源的输出电压为400～650V，频率为400～800Hz，占空比为4％～20％，输出时间为30～100min，通电过程中控制电解液的温度低于50℃，得到表面微弧氧化的轻合金；三、将步骤二得到的表面微弧氧化的轻合金从电解槽中取出并用水进行冲洗，在80℃的条件下干燥20min；四、将陶瓷填料加入到液态的环氧树脂或酚醛树脂中，使陶瓷填料在混合液中的质量分数为5％～30％，以80r/min的速度机械搅拌30～60min或者用超声波搅拌5～20min，得到喷涂液；五、将步骤四的喷涂液喷涂或涂刷到步骤三干燥好的表面微弧氧化的轻合金的表面，涂覆后自然晾置15分钟，再在60℃的条件下干燥1.5小时；六、重复操作步骤五7～20次；即在轻合金表面制备出防腐隔热抗烧蚀复合涂层。
本实施方式步骤一中轻合金的表面采用除油处理的方法是：采用以分析纯的酒精或丙酮作为介质的超声波振荡清洗18～30min。
本实施方式步骤一采用现有的轻合金表面碱性电解液，可根据所制备膜层的不同选择碱性电解液溶质和溶质间的比例关系。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点为：步骤二中控制脉冲电源的输出电压为450～550V，频率为500～700Hz，占空比为8％～16％，输出时间为50～80min。其它步骤及参数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的不同点为：步骤二中控制脉冲电源的输出电压为500V，频率为600Hz，占空比为12％，输出时间为65min。其它步骤及参数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的不同点为：步骤四中陶瓷填料为ZrO2、SiO2、Al2O3、玻璃空心微球、碳空心微球和莫来石空心微球中一种或其中几种的组合。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中陶瓷填料为两种或两种以上物质组成时可按任意比混合。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点为：步骤四中采用机械搅拌，机械搅拌时间为40～50min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点为：步骤四中采用机械搅拌，机械搅拌时间为45min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点为：步骤四中采用超声波搅拌，超声波搅拌时间为10～15min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一的不同点为：步骤四中采用超声波搅拌，超声波搅拌时间为12min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法按如下步骤进行：一、LY12-铝合金表面进行除油处理后将脉冲电源的正极输出端与LY12-铝合金连接、脉冲电源的负极输出端与不锈钢连接，然后将LY12-铝合金与不锈钢放到电解槽中，并使电解槽中的碱性电解液没过LY12-铝合金与不锈钢，保证LY12-铝合金与不锈钢在电解槽内不接触；二、接通电源，控制脉冲电源的输出电压为650V，频率为600Hz，占空比为15％，输出时间为50min，通电过程中控制电解液的温度低于50℃，得到表面微弧氧化的LY12-铝合金；三、将步骤二得到的表面微弧氧化的LY12-铝合金从电解槽中取出并用水进行冲洗，在80℃的条件下干燥20min；四、将纳米ZrO2填料加入到液态的酚醛树脂中，使在混合液中陶瓷填料的质量分数为20％，用超声波搅拌15min，得到喷涂液；五、将步骤四的喷涂液喷涂或涂刷到步骤三干燥好的表面微弧氧化的轻合金的表面，涂覆后自然晾置15分钟，再在60℃的条件下干燥1.5小时；六、重复操作步骤五15次；即在LY12-铝合金表面制备出防腐隔热抗烧蚀复合涂层。
本实施方式步骤一中轻合金的表面采用除油处理的方法是：采用以分析纯的丙酮作为介质的超声波振荡清洗20min。
本实施方式步骤一碱性电解液溶质为Na2SiO3、KOH和(NaPO3)6，碱性电解液中Na2SiO3的浓度为15g/L、KOH的浓度为4g/L、(NaPO3)6的浓度为12g/L。
本实施方式在LY12-铝合金表面制备的防腐隔热抗烧蚀复合涂层的截面形貌图如图1所示，从图1中能够看出陶瓷底层与基体结合紧密，陶瓷填料颗粒在复合外层中分布均匀。本实施方式在LY12-铝合金表面制备的防腐隔热抗烧蚀复合涂层具有良好的隔热性能：在450℃的环境温度下，在360s以内，1.5mm厚的铝板在本实施方式制备的1.5mm厚的复合涂层保护下，其背壁温度＜240℃；氧-乙炔烧蚀的线烧蚀率＜0.01mm/s，质量烧蚀率＜0.07g/s，在1500℃氧-乙炔火焰下烧蚀持续5s，背壁温度升高仅200℃，背面无变化；而在相同测试条件下，1.5mm厚的铝板在15微米厚的陶瓷底层保护下，其背壁温度升高565℃，背面有熔化痕迹。
将本实施方式制备的涂层在500℃-冷水(20℃)的环境中快速冷热循环50次涂层不脱离，说明本实施方式制备的涂层与基体的结合力高。
具体实施方式十：本实施方式在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法按如下步骤进行：一、LY12-铝合金表面进行除油处理后将脉冲电源的正极输出端与LY12-铝合金连接、脉冲电源的负极输出端与不锈钢连接，然后将LY12-铝合金与不锈钢放到电解槽中，并使电解槽中的碱性电解液没过LY12-铝合金与不锈钢，保证LY12-铝合金与不锈钢在电解槽内不接触；二、接通电源，控制脉冲电源的输出电压为650V，频率为600Hz，占空比为15％，输出时间为50min，通电过程中控制电解液的温度低于50℃，得到表面微弧氧化的LY12-铝合金；三、将步骤二得到的表面微弧氧化的LY12-铝合金从电解槽中取出并用水进行冲洗，在80℃的条件下干燥20min；四、将莫来石加入到液态的酚醛树脂中，使陶瓷填料在混合液中的质量分数为20％，用超声波搅拌15min，得到喷涂液；五、将步骤四的喷涂液喷涂或涂刷到步骤三干燥好的表面微弧氧化的轻合金的表面，涂覆后自然晾置15分钟，再在60℃的条件下干燥1.5小时；六、重复操作步骤五18次；即在LY12-铝合金表面制备出防腐隔热抗烧蚀复合涂层。
本实施方式步骤一中轻合金的表面采用除油处理的方法是：采用以分析纯的丙酮作为介质的超声波振荡清洗20min。
本实施方式步骤一中的碱性电解液溶质为Na2SiO3、KOH和(NaPO3)6，碱性电解液中Na2SiO3的浓度为20g/L、KOH的浓度为4g/L、(NaPO3)6的浓度为10g/L。
本实施方式在LY12-铝合金表面制备的防腐隔热抗烧蚀复合涂层的截面形貌图如图2所示，从图2中能够看出陶瓷底层与基体结合紧密，陶瓷空心微球填料在复合外层中分布均匀。本实施方式在LY12-铝合金表面制备的防腐隔热抗烧蚀复合涂层具有良好的隔热性能：在450℃的环境温度下，在360s以内，1.5mm厚的铝板在本实施方式制备的2mm厚的复合涂层保护下，其背壁温度＜210℃；氧-乙炔烧蚀的线烧蚀率＜0.07mm/s，质量烧蚀率＜0.05g/s，在2200℃氧-乙炔火焰下烧蚀持续25s，背壁温度升高仅394℃，背面无变化；而在相同测试条件下，1.5mm厚的铝板在15微米厚的陶瓷底层保护下，其背壁温度升高565℃，背面有熔化痕迹。
将本实施方式制备的涂层在500℃-冷水(20℃)的环境中快速冷热循环50次涂层不脱离，说明本实施方式制备的涂层与基体的结合力高。
Claims (8)
1、一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法，其特征在于在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法按如下步骤进行：一、轻合金表面进行除油处理后将脉冲电源的正极输出端与轻合金连接、脉冲电源的负极输出端与不锈钢连接，然后将轻合金与不锈钢放到电解槽中，并使电解槽中的碱性电解液没过轻合金与不锈钢，保证轻合金与不锈钢在电解槽内不接触；二、接通电源，控制脉冲电源的输出电压为400～650V，频率为400～800Hz，占空比为4％～20％，输出时间为30～100min，通电过程中控制电解液的温度低于50℃，得到表面微弧氧化的轻合金；三、将步骤二得到的表面微弧氧化的轻合金从电解槽中取出并用水进行冲洗，在80℃的条件下干燥20min；四、将陶瓷填料加入到液态的环氧树脂或酚醛树脂中，使陶瓷填料在混合液中的质量分数为5％～30％，以80r/min的速度机械搅拌30～60min或者用超声波搅拌5～20min，得到喷涂液；五、将步骤四的喷涂液喷涂或涂刷到步骤三干燥好的表面微弧氧化的轻合金的表面，涂覆后自然晾置15分钟，再在60℃的条件下干燥1.5小时；六、重复操作步骤五7～20次；即在轻合金表面制备出防腐隔热抗烧蚀复合涂层。
2、根据权利要求1所述的一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法，其特征在于步骤二中控制脉冲电源的输出电压为450～550V，频率为500～700Hz，占空比为8％～16％，输出时间为50～80min。
3、根据权利要求1所述的一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法，其特征在于步骤二中控制脉冲电源的输出电压为500V，频率为600Hz，占空比为12％，输出时间为65min。
4、根据权利要求1所述的一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法，其特征在于步骤四中陶瓷填料为ZrO2、SiO2、Al2O3、玻璃空心微球、碳空心微球和莫来石空心微球中一种或其中几种的组合。
5、根据权利要求1所述的一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法，其特征在于步骤四中采用机械搅拌，机械搅拌时间为40～50min。
6、根据权利要求1所述的一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法，其特征在于步骤四中采用机械搅拌，机械搅拌时间为45min。
7、根据权利要求1所述的一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法，其特征在于步骤四中采用超声波搅拌，超声波搅拌时间为10～15min。
8、根据权利要求1所述的一种在轻合金表面制备防腐隔热抗烧蚀复合涂层的方法，其特征在于步骤四中采用超声波搅拌，超声波搅拌时间为12min。
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