CN101845652B - 一种微弧氧化膜层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种微弧氧化膜层的制备方法，具体按照以下步骤实施：对工件表面进行去污除油；将工件置于装有氧化液的氧化槽中，工件接正极，氧化槽接负极，进行微弧氧化处理；微弧氧化处理后用去离子水清洗，烘干，预热，用激光进行扫描处理，得到本发明微弧氧化膜层。本发明微弧氧化膜层的制备方法，解决了现有的制备方法制备得到的微弧氧化膜层孔隙率大、耐磨性差的问题，使微弧氧化膜层中的亚稳定相转变为稳定相，大幅提高微弧氧化膜层的耐磨耐蚀性能，可以利用激光加工的灵活性，有选择性的对其进行局部处理。
Description
技术领域
本发明属于材料表面工程技术领域，涉及一种氧化膜的制备方法，具体涉及一种微弧氧化膜层的制备方法。
背景技术
微弧氧化是将Al、Mg、Ti、Ta、Nb等阀金属及其合金置于一定的电解液体系中，利用电化学方法，使材料表面微孔中产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，在阀金属表面生成陶瓷膜层的方法。这样得到的膜层，其耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击等性能均明显高于传统阳极氧化膜。其显微硬度最高可达2000Hv，厚度可达200-300μm且与基体呈冶金结合。
微弧氧化膜层具有三层结构，分别为疏松层、致密层及膜层与基体之间的过渡层。疏松层中物质间结合力弱，结构松散，陶瓷微粒易脱落，孔隙率大，耐磨性差，其中亚稳定相较多。微弧氧化膜层形成过程中产生的微裂纹以及微弧熄灭后的部分放电通道会残留下来，使得微弧氧化膜层存在一定的孔隙率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微弧氧化膜层的制备方法，解决了现有的制备方法制备得到的微弧氧化膜层孔隙率大、耐磨性差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种微弧氧化膜层的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：对工件表面进行去污除油；
步骤2：将步骤1处理的工件置于装有氧化液的氧化槽中，工件接正极，氧化槽接负极，进行微弧氧化处理；
步骤3：微弧氧化膜层后处理
a.将步骤2得到的氧化处理后的微弧氧化膜层用去离子水清洗，烘干；
b.将上步得到的烘干后的工件预热；
c.将上步得到的预热好的工件用激光进行扫描处理，得到本发明微弧氧化膜层。
本发明的特点还在于，
其中的步骤2中的氧化液由1-5g/l的Na2SiO3，0.1-2g/l的Na2B4O7，1-10g/l的NaAlO2及0.5-2g/l的KOH溶于溶剂水组成。
其中的步骤2中的氧化处理，设置频率为50-1000Hz，占空比为20-80%，电流密度为10-20A/dm2，处理时间为60-100min。
其中的步骤3中的预热，温度为160-400℃。
其中的步骤3中的用激光进行扫描处理，设置激光参数为：激光带宽：1-20mm，功率：200-3000W，扫描速率：50-2000mm/s。
本发明的有益效果是：
（1）使微弧氧化膜层中的亚稳定相转变为稳定相，大幅提高微弧氧化膜层的耐磨耐蚀性能。
（2）微弧氧化膜层物质在高温下熔融流动，可以填补膜层中的孔洞和微裂纹，消除疏松层，提高膜层的致密性，进而提高膜层的耐蚀性能。
（3）激光加工具有能量密度高、灵活性大的优点，可以根据需要对微弧氧化工件的局部进行激光扫描处理，在工件对耐磨耐蚀有较高要求的部位取得强化效果。有些微弧氧化工件的某些特殊部位对耐磨耐蚀性能要求较高，可以利用激光加工的灵活性，有选择性的对其进行局部处理。激光处理工艺根据试样形状、基体材料及膜层厚度等条件确定，热输入过大时，会使基体熔化膨胀导致膜层崩裂；热输入太小则处理效果不理想。因此处理工艺范围较窄。另外激光扫描时微弧氧化膜层发生熔融使得部分孔隙及裂纹熔合消失，降低了膜层的孔隙率，也使得耐蚀性能得以提高。
附图说明
图1是激光处理前的ZL101A微弧氧化膜层表面形貌，放大倍数为500；
图2是采用本发明方法激光处理后的ZL101A微弧氧化膜层表面形貌，放大倍数为500；
图3是激光处理前的ZL101A微弧氧化膜层成份的X射线衍射分析；
图4是采用本发明方法激光处理后的ZL101A微弧氧化膜层成份的X射线衍射分析。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
铝及其合金微弧氧化膜层中的γ-Al2O3属立方紧密堆积晶体，不溶于水，但能溶于酸和碱，是典型的两性氧化物，结构松散，耐磨性能差。通过激光扫描加热可使γ-Al2O3在1200℃时转化为α-Al2O3，α-Al2O3的晶格中，氧离子为六方紧密堆积，Al3+对称地分布在氧离子围成的八面体配位中心，晶格能很大，故熔点、沸点很高，密度为3.9-4.1g/cm3，莫氏硬度为9，熔点为2000±15℃。不溶于水，也不溶于酸和碱，且耐高温。
镁及其合金微弧氧化膜层中体积蓬松的无定形MgO在加热至1000℃以上可以转变为立方结构的MgO晶体，MgO晶体的结构具有较好的致密性，及较高的硬度。
同样，钛及其合金微弧氧化膜层中的锐钛矿型TiO2晶格中含有较多的缺陷和缺位，从而产生较多的氧空位来捕获电子，所以具有较高的活性；金红石型TiO2是最稳定的晶型结构形式，具有较好的晶化态，缺陷少，结构紧密，硬度也较高。锐钛矿型TiO2在700℃以上可转化为金红石型TiO2。
本发明微弧氧化膜层的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：微弧氧化膜层制备，对工件表面进行去污除油，采用常规方法选择膜层生长速率较快的参数在工件表面制备得到微弧氧化膜层；
步骤2：将步骤1得到的具有微弧氧化膜层的工件置于装有氧化液的氧化槽中，工件接正极，氧化槽接负极，启动电源进行微弧氧化处理，设置频率为50-1000Hz，占空比为20-80%，电流密度为10-20A/dm2，处理时间为60-100min；其中的氧化液由1-5g/l的Na2SiO3，0.1-2g/l的Na2B4O7，1-10g/l的NaAlO2及0.5-2g/l的KOH溶于溶剂水组成；
步骤3：微弧氧化膜层后处理
a.将步骤2得到的氧化处理后的微弧氧化膜层用去离子水清洗，烘干；
b.将上步得到的微弧氧化工件预热至160-400℃；
c.设置激光参数为：激光带宽：1-20mm，功率：200-3000W，扫描速率：50-2000mm/s，将上步预热好的工件置于工作台上，启动激光进行扫描处理，得到本发明微弧氧化膜层。
对ZL101A试样上激光扫描处理前后的膜层形貌用扫描电镜观察，如图1及图2所示，处理后的膜层表面平整，微孔明显减少。对处理前后的膜层用X射线衍射仪进行成份分析，如图3及图4所示，结果发现，处理前膜层的晶体相中莫来石含量为55.56%，其余为γ-Al2O3。处理后膜层的晶体相中莫来石含量为62.99%，α-Al2O3的含量为14.66%，θ-Al2O3含量为22.34%，原先的γ-Al2O3已发生转变而不复存在。莫来石（又称富铝红柱石）具有很好的耐高温性能，1800°C时仍很稳定，1810°C分解为刚玉和液相，低的热膨胀性能，抗蠕变性能及抗腐蚀性能优良，尤其是耐酸性。
α-Al2O3相层致密且具有较高的硬度和很好的化学稳定性，对膜层的耐磨、耐蚀性能具有重要的作用，因此，铝合金微弧氧化膜层中希望α-Al2O3相比例高。α-Al2O3和γ-Al2O3在一定条件下可以相互转换，在微弧氧化过程中铝合金表面发生微等离子放电，微弧存在时间极短，但温度可达8000K，高温使微弧处的氧化膜瞬间熔化，熔融状态首先生成的是α-Al2O3，然后被电解液急剧冷却，在冷却速率达到106K/s，温度低于α、γ两相相互转化反应的平衡温度时，较大的过冷度使得γ-Al2O3自由能低于α-Al2O3的自由能，从而有利于生成γ-Al2O3。所以微弧氧化膜层外层几乎都是γ-Al2O3相，内层靠近基体的部分有外层氧化物隔绝溶液，因此微弧放电后内层熔融氧化物冷却速率较低，容易形成α-Al2O3。铝合金微弧氧化膜层经激光加热至1200℃以上冷却，其冷却速率相对于微弧放电后的冷却速率要小很多，因此处理后的膜层中α-Al2O3的含量大幅增加，膜层的耐磨耐蚀性能也随之提高。
实施例1
材料：ZM5，100×60×5mm
步骤1：微弧氧化膜层制备
a.去除试样表面脏污，用丙酮清洗。
b.配制微弧氧化液：3g/lNa2SiO3+1g/lNa2B4O7+5g/lNaAlO2+0.5g/lKOH
c.设定工艺参数
频率：50Hz，占空比：20%，电流密度：10A/dm2，氧化时间：60min。
d.将试样置于氧化液中，试样接正极，氧化槽接负极，启动电源进行微弧氧化处理。
步骤2：微弧氧化膜层后处理
a.将步骤1得到的微弧氧化膜层试样表面用去离子水清洗，烘干。
b.将微弧氧化试样预热至160℃。
c.设置激光参数
带宽1mm，功率200w，激光扫描速率50mm/min
d.将预热好的试样置于工作台上，启动激光进行扫描处理。
实施例2
材料：ZAlSi7MgA，60×60×5mm
步骤1：微弧氧化膜层制备
a.去除试样表面脏污，用丙酮清洗。
b.配制微弧氧化液：3g/lNa2SiO3+1g/lNaAlO2+2g/lKOH+0.1g/lNa2B4O7
c.设定工艺参数
频率：500Hz，占空比：50%，电流密度：15A/dm2，氧化时间：80min。
d.将试样置于氧化液中，试样接正极，氧化槽接负极，启动电源进行微弧氧化处理。
步骤2：微弧氧化膜层后处理
a.将步骤1得到的微弧氧化膜层试样表面用去离子水清洗，烘干。
b.将微弧氧化试样预热至300℃。
c.设置激光参数
带宽10mm，功率1800w，激光扫描速率1000mm/min
d.将预热好的试样置于工作台上，启动激光进行扫描处理。
实施例3
材料：TC4，120×80×6mm
步骤1：微弧氧化膜层制备
a.去除试样表面脏污，用丙酮清洗。
b.配制微弧氧化液：5g/lNa2SiO3+10g/lNaAlO2+2g/lNa2B4O7+1g/lKOH
c.设定工艺参数
频率：1000Hz，占空比：80%，电流密度：20A/dm2，氧化时间：100min。
d.将试样置于氧化液中，试样接正极，氧化槽接负极，启动电源进行微弧氧化处理。
步骤2：微弧氧化膜层后处理
a.将步骤1得到的微弧氧化膜层试样表面用去离子水清洗，烘干。
b.将微弧氧化试样预热至400℃。
c.设置激光参数
带宽20mm，功率3000w，激光扫描速率2000mm/min
d.将预热好的试样置于工作台上，启动激光进行扫描处理。
Claims (2)
1. 一种微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：对工件表面进行去污除油；
步骤2：将步骤1处理的工件置于装有氧化液的氧化槽中，工件接正极，氧化槽接负极，进行微弧氧化处理；所述的氧化液由1-5g/l的Na2SiO3，0.1-2g/l的Na2B4O7，1-10g/l的NaAlO2及0.5-2g/l的KOH溶于溶剂水组成；所述的氧化处理，设置频率为50Hz，占空比为20%，电流密度为10A/dm2，氧化时间为60min；或者设置频率为500Hz，占空比为50%，电流密度为15A/dm2，氧化时间为80min；或者设置频率为1000Hz，占空比为80%，电流密度为20A/dm2，氧化时间为100min；
步骤3：微弧氧化膜层后处理
a.将步骤2得到的氧化处理后的微弧氧化膜层用去离子水清洗，烘干；
b.将上步得到的烘干后的工件预热；
c.将上步得到的预热好的工件用激光进行扫描处理，设置激光参数为：激光带宽：1-20mm，功率：200-3000W，扫描速率：50-2000mm/s，得到本发明微弧氧化膜层。
2. 根据权利要求1所述的微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中的预热，温度为160-400℃。
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