CN102021629A - 一种钛合金表面微弧氧化减摩复合膜层的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种钛合金表面微弧氧化减摩复合膜层的制备方法，其特征是方法步骤为:(1)微弧氧化电解液；(2)复合膜的制备。本发明的技术效果是：1.本发明所提供的方法在不破坏微弧氧化膜层的前提下，通过将固体润滑剂引入，在钛合金微弧氧化过程中实验了一步法制得具有减摩效果的微弧氧化复合膜层，减摩效果明显；2.本发明采用的硅酸钠体系电解液组原料简单易得，溶液呈中性或弱碱性，而且溶液中不含铬离子等重金属离子和环保限制元素，不含对人体和环境有害的物质，对环境的污染小，满足优质清洁生产的需要。

Description

一种钛合金表面微弧氧化减摩复合膜层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合膜层的制备方法，尤其涉及一种钛合金表面微弧氧化减摩复合膜层的制备方法。

背景技术

钛及其合金因具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能好并具有超导、储氢性能等优点，作为结构金属被广泛应用于航空、航天、军工、化工、冶金、石油、电力、海水淡化、建筑、舰船、轻纺、医用材料以及日常生活用品等许多行业，被誉为“现代金属”、“第三金属”、“战略金属”。 钛合金的缺点是硬度低、耐磨性能差、抗高温氧化性能低。钛的表面容易产生麻点，以及其摩擦系数大，在使用过程中发生剧烈摩擦，产生大量热量，而钛合金又是热的不良导体，热量不能被有效的传导和散失，致使达到局部温度过高，当达到钛的着火点时，在一定的压力和氧气浓度下，就会产生严重的“钛火”故障。1987年，仅美国空军就因“钛火”故障引发发动机失火，造成四架F/A-18战机坠毁。钛合金的这些缺点严重限制了其应用，对钛合金进行表面处理是进一步扩大钛合金使用范围的有效途径。

为克服这些缺点，国内外先后对钛合金表面进行了改性研究，以提高其表面性能。开发出了多种表面改性的方法，主要有镀Cr和Ni-P为代表的湿式镀膜法、热扩散法、阳极氧化、PVD/CVD、离子注入法、热氧化法及微弧氧化法等。

然而钛合金由于表面钝化膜的存在使得基底合金与涂层之间形成弱的界面结合，钛合金一直被视为“难镀材料”；阳极氧化膜厚度一般小于1μm,达到2~3μm己属不易,而且硬度低,对溶液要求高，目前仅在装饰涂层方面有所应用；PVD/CVD、离子注入及热氧化法在涂层制备过程中需要保持高温,在一定程度上改变了基体与涂层的结构,使基体的力学性能明显变坏(塑性恶化)；PVD/CVD及离子注入法需要昂贵的真空或气氛保护条件,制备成本明显提高；而热氧化法能耗大、时间长及劳动强度大,得到的涂层不均匀。因此有必要发展新的低成本高性能的涂层制备技术。

微弧氧化技术作为一种新兴的表面处理技术，正日益受到人们的重视，微弧氧化陶瓷膜的特点决定其特别适用于高速运动且对耐磨、耐腐蚀性能要求高的零部件处理。根据国内外的发展趋势、微弧氧化技术和共生沉积技术的特点，以及钛合金在航空领域的应用背景，在钛合金微弧氧化工艺中引入共生沉积，即微弧氧化—共生沉积技术。根据钛合金涂层性能要求，合理设计钛合金表面陶瓷涂层组成相，以获得一具有耐磨、抗氧化、低摩擦系数、热阻性高以及结合强度高、性能优良的钛合金表面微弧氧化—共生沉积陶瓷涂层，是钛合金表面改性技术发展的新途径与新方法、在航空领域将有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种钛合金表面微弧氧化减摩复合膜层的制备方法，通过将各种固体润滑剂微粒表面改性均匀分散到电解质溶液中，在微弧氧化过程中，实验微粒的共沉积，最终在钛合金表面获得一层致密、具有减摩效果的微弧氧化复合膜层。

本发明是这样来实现的，方法步骤为: 

（1）固体润滑剂微粒MoS₂先经过碱煮1h，经水洗后用2~10 g/L十二烷基磺酸钠溶液浸泡处理4-8h，水洗后烘干留以备用；

（2）微弧氧化电解液：以硅酸钠—六偏磷酸钠体系为基础液，基础液为硅酸钠6~10g/L、六偏磷酸钠4~8g/L和铝酸钠0~1.5g/L，同时添加经步骤1处理后的固体润滑剂微粒MoS₂ 0.5~20g/L和石墨0.5~20g/L；

（3）复合膜的制备：将经过常规处理后的钛合金样品作为阳极，不锈钢电解池兼做阴极；用直流脉冲微弧氧化电源设备对钛合金表面进行微弧氧化处理，电流密度为5~20A/dm²，频率为200~500Hz，占空比为40%~60%，并使用循环冷却系统对电解液进行降温至10~50℃，为加强传质效果和提高微粒在电解液中的分散性，提高微粒在阳极上的吸附能力，需要加强电解液的流动，同时氧化过程中，电极周围会产生大量热量，使电解液温度上升较快，影响成膜效果，因此采用机械搅拌装置，搅拌转数控制在50~250r/min，使电解液对流循环，提高氧化膜成膜效果，时间为20~60min，氧化完成后，用水冲洗后自然晾干即可得在钛合金表面获得具有自润滑效应的的减摩微弧氧化复合膜层。

本发明的技术效果是：1.本发明所提供的方法在不破坏微弧氧化膜层的前提下，通过将固体润滑剂引入，在钛合金微弧氧化过程中实验了一步法制得具有减摩效果的微弧氧化复合膜层，减摩效果明显；2.本发明采用的硅酸钠体系电解液组原料简单易得，溶液呈中性或弱碱性，而且溶液中不含铬离子等重金属离子和环保限制元素，不含对人体和环境有害的物质，对环境的污染小，满足优质清洁生产的需要。

具体实施方式

实施例1

处理样品为TC4钛合金，大小为25mm×20mm×3mm的片状，其具体操作步骤为：

（1）试样预处理：试样经240^#-800^#砂纸依次打磨后经水清洗，在丙酮溶液中用超声波除油1h，再用去离子水清洗，吹干以备用。

（2）复合膜的制备：微弧氧化电解液以硅酸钠—六偏磷酸钠体系为基础液，其为硅酸钠8g/L，六偏磷酸钠6g/L，1.5g/L的MoS₂微粒。将预处理后的钛合金样品作为阳极，不锈钢电解池兼做阴极，用直流脉冲微弧氧化电源设备对钛合金表面进行微弧氧化处理；电流密度为8A/dm²，频率为500Hz，占空比为60%，并使用循环冷却系统对电解液进行降温至10~50℃，为加强传质效果和提高微粒在电解液中的分散性，提高微粒在阳极上的吸附能力，需要加强电解液的流动，同时氧化过程中，电极周围会产生大量热量，使电解液温度上升较快，影响成膜效果，因此，采用机械搅拌装置，搅拌转数控制在50~250r/min，使电解液对流循环，提高氧化膜成膜效果。时间为30min，氧化完成后，用去离子水冲洗后自然晾干即可得在钛合金表面获得具有自润滑效应的的减摩微弧氧化复合膜层。

实施例2

处理样品为TC4钛合金，大小为25mm×20mm×3mm的片状，其具体操作步骤为：

（1）试样预处理：试样经240^#-800^#砂纸依次打磨后经水清洗，在丙酮溶液中用超声波除油1h，再用去离子水清洗，吹干以备用。

（2）复合膜的制备：微弧氧化电解液以硅酸钠—六偏磷酸钠体系为基础液，其为硅酸钠8g/L，六偏磷酸钠6g/L，1.5g/L的石墨微粒。将预处理后的钛合金样品作为阳极，不锈钢电解池兼做阴极，用直流脉冲微弧氧化电源设备对钛合金表面进行微弧氧化处理；电流密度为8A/dm²，频率为500Hz，占空比为60%，并使用循环冷却系统对电解液进行降温至10~50℃，为加强传质效果和提高微粒在电解液中的分散性，提高微粒在阳极上的吸附能力，需要加强电解液的流动，同时氧化过程中，电极周围会产生大量热量，使电解液温度上升较快，影响成膜效果，因此，采用机械搅拌装置，搅拌转数为150r/min，使电解液对流循环，提高氧化膜成膜效果。时间为30min，氧化完成后，用去离子水冲洗后自然晾干即可得在钛合金表面获得具有自润滑效应的的减摩微弧氧化复合膜层。

实施例3

处理样品为TC4钛合金，大小为25mm×20mm×3mm的片状，其具体操作步骤为：

（1）试样预处理：试样经240^#-800^#砂纸依次打磨后经水清洗，在丙酮溶液中用超声波除油1h，再用去离子水清洗，吹干以备用。

（2）复合膜的制备：微弧氧化电解液以硅酸钠—六偏磷酸钠体系为基础液，其为硅酸钠8g/L，六偏磷酸钠6g/L，铝酸钠1.5g/L，1.5g/L的MoS₂微粒。将预处理后的钛合金样品作为阳极，不锈钢电解池兼做阴极，用直流脉冲微弧氧化电源设备对钛合金表面进行微弧氧化处理，电流密度为8A/dm²，频率为500Hz，占空比为60%，并使用循环冷却系统对电解液进行降温至10~50℃，为加强传质效果和提高微粒在电解液中的分散性，提高微粒在阳极上的吸附能力，需要加强电解液的流动，同时氧化过程中，电极周围会产生大量热量，使电解液温度上升较快，影响成膜效果，因此，采用机械搅拌装置，转数为150r/min，使电解液对流循环，提高氧化膜成膜效果。时间为30min，氧化完成后，用去离子水冲洗后自然晾干即可得在钛合金表面获得具有自润滑效应的的减摩微弧氧化复合膜层。

实施例4

处理样品为TC4钛合金，大小为25mm×20mm×3mm的片状，其具体操作步骤为：

（1）试样预处理：试样经240^#-800^#砂纸依次打磨后经水清洗，在丙酮溶液中用超声波除油1h，再用去离子水清洗，吹干以备用。

（2）复合膜的制备：微弧氧化电解液以硅酸钠—六偏磷酸钠体系为基础液，其为硅酸钠8g/L，六偏磷酸钠6g/L，铝酸钠1.5g/L，1.5g/L的石墨微粒。将预处理后的钛合金样品作为阳极，不锈钢电解池兼做阴极，用直流脉冲微弧氧化电源设备对钛合金表面进行微弧氧化处理；电流密度为8A/dm²，频率为500Hz，占空比为60%，并使用循环冷却系统对电解液进行降温至10~50℃，为加强传质效果和提高微粒在电解液中的分散性，提高微粒在阳极上的吸附能力，需要加强电解液的流动，同时氧化过程中，电极周围会产生大量热量，使电解液温度上升较快，影响成膜效果，因此，采用机械搅拌装置，转数为150r/min，使电解液对流循环，提高氧化膜成膜效果。时间为30min，氧化完成后，用去离子水冲洗后自然晾干即可得在钛合金表面获得具有自润滑效应的的减摩微弧氧化复合膜层。

Claims (1)

1.一种钛合金表面微弧氧化减摩复合膜层的制备方法，其特征是方法步骤为: 

（1）固体润滑剂微粒MoS₂先经过碱煮1h，经水洗后用2~10 g/L十二烷基磺酸钠溶液浸泡处理4-8h，水洗后烘干留以备用；

（2）微弧氧化电解液：以硅酸钠—六偏磷酸钠体系为基础液，基础液为硅酸钠6~10g/L、六偏磷酸钠4~8g/L和铝酸钠0~1.5g/L，同时添加经步骤1处理后的固体润滑剂微粒MoS₂ 0.5~20g/L和石墨0.5~20g/L；

（3）复合膜的制备：将经过常规处理后的钛合金样品作为阳极，不锈钢电解池兼做阴极；用直流脉冲微弧氧化电源设备对钛合金表面进行微弧氧化处理，电流密度为5~20A/dm²，频率为200~500Hz，占空比为40%~60%，并使用循环冷却系统对电解液进行降温至10~50℃，为加强传质效果和提高微粒在电解液中的分散性，提高微粒在阳极上的吸附能力，需要加强电解液的流动，同时氧化过程中，电极周围会产生大量热量，使电解液温度上升较快，影响成膜效果，因此采用机械搅拌装置，搅拌转数控制在50~250r/min，使电解液对流循环，提高氧化膜成膜效果，时间为20~60min，氧化完成后，用水冲洗后自然晾干即可得在钛合金表面获得具有自润滑效应的的减摩微弧氧化复合膜层。