CN102409341A

CN102409341A - 一种在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法

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Publication number: CN102409341A
Application number: CN2011104029607A
Authority: CN
Inventors: 赫晓东; 孙跃; 孙冠宏
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: CN102409341B

Abstract

本发明利用结合微弧氧化和等离子喷涂工艺在树脂基复合材料表面制备氧化铝防护涂层，以达到提高树脂基复合材料使用性能的目的。一种在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，依次包括以下步骤：a．在固化树脂基复合材料时，将铝粉均匀的撒在固化材料的最外层，放入模具后进行固化；b．用喷砂机对树脂基复合材料进行喷砂处理，使其表面粗糙度为Ra=5-10μm；c．等离子喷涂，制备均匀的Al过渡层；d．以喷涂上的Al层为基体，在含有3g/L的硅酸钠，1g/L氢氧化钾溶液中微弧氧化，使Al氧化形成氧化铝陶瓷涂层。本发明成本低廉、涂层制备速度快，生产效率高、设备操作简单，维护保养方便。

Description

一种在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法

技术领域

本发明涉及在树脂基复合材料上面制备陶瓷涂层的方法，特别是一种利用结合微弧氧化与等离子喷涂结合的工艺在树脂基体上面制备氧化铝陶瓷涂层的方法。

背景技术

等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧作为热源，粉末材料为主的热喷涂方法。送粉气流输送粉末喷涂材料进入等离子弧，并被迅速加热至熔融或半熔融状态，随等离子流高速撞击经预处理的基材表面，并在基材表面形成牢固的覆盖层——喷涂层。从而使零件被喷涂表面获得不同的硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀、绝缘、隔热、润滑等各种特殊物理化学性能，以满足零件不同的工作条件要求。

微弧氧化(Microarc oxidation，MAO)又称微等离子体氧化(Microplasma oxidation, MPO)，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。

树脂基复合材料由于具有良好的比强度和比刚度而被广泛应用，但由于其硬度不高，因此耐磨性能较差，在某些工作环境中常常会因为磨损而失效。氧化铝具有较高的硬度，氧化铝涂层具有良好的耐磨，耐热性能。现有的提高数脂基材料表面硬度的方法是将陶瓷材料固化在树脂材料表面，但这种方法制备的涂层是树脂和陶瓷的混合体，不是百分之百的陶瓷，因此耐磨性能相对于纯陶瓷会下降。尽管只应用等离子喷涂的方法并充分冷却树脂基体也可以在尽量小的热损伤下制备氧化铝涂层，但热损伤始终不能避免。

发明内容

本发明利用结合微弧氧化与等离子喷涂结合的工艺在树脂基复合材料表面制备氧化铝防护涂层，以达到提高树脂基复合材料使用性能的目的。

所述目的是通过如下方案实现的：

一种在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，依次包括以下步骤：

a．在固化树脂基复合材料之前，将铝粉均匀地撒在待固化材料的最外层，放入模具后进行固化；

b．将固化后的树脂基复合材料裁剪成需要的大小，用喷砂机在其表面进行喷砂处理，使其表面粗糙度为Ra=5-10μm；

c．在喷砂后的树脂基复合材料表面进行等离子喷涂，制备均匀的Al过渡层，控制Al过渡层的厚度为50～100微米；

d．以喷涂上的Al层为基体，在含有3g/L的硅酸钠，1g/L氢氧化钾溶液中微弧氧化，使Al氧化形成氧化铝陶瓷涂层。

制备氧化铝陶瓷涂层时微弧氧化的电参数为：采用直流电源，频率400Hz，有效周期为80%，电流密度控制在0.25-0.5A/cm²，电压400-500V，根据需要获得涂层的厚度，氧化时间为30-60min。

所述Al过渡层以Al粉为原料，粉末粒度为20～40微米。

制备Al过渡层时控制喷枪的参数为：喷涂的电流强度180-210A，电压50-60V，主气体流量900-1000L/h，次气体流量100-150L/h，送粉气体压力0.02MPa，喷涂距离为170～190mm。

喷涂Al过渡层，使用等离子喷涂辅助系统进行；所述等离子喷涂辅助系统的结构为：包括用于固定工件的转盘及置于转盘一侧的用于固定喷枪的喷枪支架，所述喷枪支架固定在丝杠螺母机构的螺母上，并由丝杠螺母机构带动滑动，所述丝杠螺母机构的丝杠与转盘面平行布置；所述转盘与直流电机连接并通过直流电机控制旋转速度及旋转方向。

所述转盘上设置若干个通孔。

由滑块和滑道代替丝杠螺母机构，即，所述喷枪支架固定在滑块上，滑块可沿导轨做平行于转盘面的直线运动。

等离子喷涂辅助系统还包括回转控制杆和行程开关，所述回转控制杆为两个且分别固定在转盘不同位置的通孔内；所述回转控制杆通过转盘的旋转可与行程开关碰触；所述行程开关连接正反转控制电路，正反转控制电路连接直流电机的输入电源。

假定滑块或螺母的运动方向为坐标轴的X向，则喷枪支架还具有可实现坐标轴Y向、Z向运动的结构。

本发明具有以下优点：1、相对于单纯用等离子喷涂方法制备，此方法可以有效降低制备涂层过程中对树脂集体得热损伤，从而提高了涂层的结合强度（6.09MPa）；2、以Al为原料，成本低廉；3、本发明所述方法对基体表面形状要求低，理论上可以在任意形状的树脂基复合材料表面制备氧化铝涂层；4、涂层制备速度快，生产效率高；5、本发明通过等离子喷涂方法制备的涂层完全是氧化铝陶瓷构成，制成的涂层具有良好的表面硬度（12.76GPa）6、设备操作简单，维护保养方便。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中，1—转盘；2—喷枪支架；3—等离子喷枪；4—通孔；5—回转控制杆；6—行程开关；7—丝杠螺母机构的螺母；8—丝杠螺母机构的丝杠；9—Z向滑块；10—Z向滑道；11—Y向滑道；12—Y向滑块。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明优选的实施方式。

本发明提到的树脂基复合材料，尤指能够耐200℃以上温度的树脂复合材料，比如环氧树脂基复合材料、不饱和聚脂基复合材料、酚醛树脂基复合材料等等。

本发明的具体操作步骤如下：1、在固化树脂基复合材料时，将铝粉均匀的撒在固化材料的最外层使铝粉刚好完全覆盖树脂基体表面即可，放入模具后进行固化，这些铝粉可以起到与等离子喷涂的Al涂层结合的作用，从而整体上提高涂层的结合性能，经测试，固化时加了铝粉后涂层的结合性能提高了21%；2、将树脂基复合材料裁剪成需要的大小，用喷砂机在其表面进行喷砂处理，使其表面具有一定的粗糙度，粗糙度可控制在Ra=5-10μm，以保证之后的等离子喷涂制备涂层的结合强度；3、将喷砂处理后的树脂基复合材料放在等离子喷涂辅助系统（后面阐述）的转盘上，进行等离子喷涂，制备均匀的Al过渡层，通常制备50微米厚的Al过渡层需要转盘以4s/r的速度往返两次，使用苏尔寿美科3MB等离子喷涂枪进行喷涂时控制的参数为：电流强度控制在210A，电压为50V，主气体流量为900L/h，次气体流量为100L/h，送粉气体压力为0.02MPa，喷涂距离为170mm。使用苏尔寿美科F4MB-XL等离子喷涂枪进行喷涂制备20微米厚的氧化铝涂层时控制喷枪的参数为：喷涂的电流强度为300A，电压为65V，主气体流量为1000L/h，次气体流量为200L/h，送粉气体压力为0.02MPa，喷涂距离为170mm。喷涂过程中要注意及时冷却，尽量避免长时间连续喷涂；4、以所喷涂的Al层为基体，在微弧氧化的电解液（3g/L硅酸纳，1g/L氢氧化钠，共三升溶液）中进行微弧氧化操作，要制备10微米厚的氧化铝涂层，需要氧化30分钟；要制备10微米厚的氧化铝涂层，需要氧化60分钟。使用迪斯数控DSM120DU电源进行微弧氧化的具体操作参数为：电压缓慢上升至400-500 V（电压越大，涂层形成的越快，但相对粗糙）。电流密度控制在0.25-0.5A/cm²，脉冲频率为400Hz，脉冲有效区间为80%。此设备为一般性之流电源，具有普遍性。

本发明喷涂Al过渡层使用等离子喷涂辅助系统进行，它的结构如图1所示，包括转盘1及置于转盘一侧的喷枪支架2，转盘1的作用于在于固定待喷涂工件，喷枪支架2的作用在于固定等离子喷枪3；

转盘1上设置若干个通孔4，其作用有三：一是用于固定工件，可以用夹子将工件夹在通孔上，当然也可以将工件直接粘贴在转盘1的表面；二是用于散热，由于等离子喷涂过程中喷枪会放出大量的热，所以圆盘通孔可以避免载物盘过热损坏；三是用于减压，喷涂时等离子喷枪会喷射出喷涂材料和气体，工件表面及转盘局部会承受巨大压力，所以为了避免转盘受到损坏，在转盘表面设置通孔，可有效卸掉喷涂时的气流压力。

转盘上设置回转控制杆5，回转控制杆5为两个且分别固定在转盘不同位置的通孔内，两个回转控制杆5的位置根据待喷涂工件的大小进行确定，当待喷涂工件表面积较大时，两个回转控制杆的相对距离也较大，反之亦然。在回转控制杆随转盘旋转时可碰触到的范围内设置行程开关6，行程开关6连接正反转控制电路，正反转控制电路连接直流电机的输入电源，这样当回转控制杆5碰触行程开关6时，电机控制转盘反转，下一个回转控制杆再碰到行程开关时，电机又控制转盘转回，这样使转盘在小范围内往复旋转，以提高喷涂效率，同地节约喷涂用材料；另外，转盘的旋转速度根据直流电机电流的大小进行调节。

等离子喷枪3固定在喷枪支架上，喷枪支架固定在丝杠螺母机构的螺母7上，并由丝杠螺母机构带动喷枪3移动，由于丝杠螺母机构的丝杠8与转盘面平行布置，这样，螺母带动喷枪做直线移动时，喷枪与转盘之间的距离是不改变的，于是保证了喷涂距离。

假定丝杠带动螺母运动的方向（即丝杠8的设置方向）为坐标轴的X向（以下称该丝杠为X向丝杠，该螺母为X向螺母），则喷枪支架还具有可实现坐标轴Y向、Z向运动的结构。具体地，喷枪支架包括Z向滑块9和Y向滑块12，喷枪固定在Z向滑块9上，Z向滑块9设置在Z向滑道10上，因此喷枪可随Z向滑块9沿Z向滑道10做竖直方向的滑动；Z向滑道10与Y向滑块12固定连接，Y向滑块12置于Y向滑道11上并可沿Y向滑道11进行水平方向滑动，因此喷枪可随Y向滑块12做水平方向的运动。由于Y向滑道11与X向丝杠在水平面内垂直，且使Y向滑道11固定在X向螺母上，因此，喷枪在X向螺母、Y向滑块12及Z向滑块9带动下可实现X、Y、Z三个方向的运动。

在进行等离子喷涂时，将准备喷涂的工件装载到转盘上面，确定转盘转动速度及转动范围，同时调整各方向滑块确定喷枪的停留位置，启动系统即可获得理想的涂层。

另外，前面所述丝杠螺母机构也可以由滑块和滑道代替，即，所述喷枪支架固定在滑块上，滑块可沿导轨做平行于转盘面的直线运动。同样可以实现本发明的目的。

另外，所述丝杠螺母机构还可以由其它能实现平面移动的移动副代替，都在本发明的保护范围之内。

制备涂层后，涂层的结合强度上升到6.09GPa，并且通过微观组织形貌观察，基本消除了制备涂层过程中对树脂基体产生的热损伤；试样表面硬度由0.12GPa上升到12.76GPa，有效提高的树脂基复合材料表面硬度，从而提高材料的耐磨性能。

本发明结合了微弧氧化方法后，氧化铝的形成是在溶液中进行，因此除去喷涂铝带来的热损伤，氧化铝涂层的形成完全避免了给树脂带来热损伤的风险，从而有效提高了涂层的性能。

本实施方式只是对本专利的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。

Claims

1.一种在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，其特征在于制备氧化铝陶瓷涂层时微弧氧化的电参数为：采用直流电源，频率400Hz，有效周期为80%，电流密度控制在0.25-0.5A/cm²，电压400-500V，根据需要获得涂层的厚度，氧化时间为30-60min。

3.根据权利要求1所述的在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，其特征在于所述Al过渡层以Al粉为原料，粉末粒度为20～40微米。

4.根据权利要求3所述的在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，其特征在于制备Al过渡层时控制喷枪的参数为：喷涂的电流强度180-210A，电压50-60V，主气体流量900-1000L/h，次气体流量100-150L/h，送粉气体压力0.02MPa，喷涂距离为170～190mm。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，其特征在于喷涂Al过渡层，使用等离子喷涂辅助系统进行；所述等离子喷涂辅助系统的结构为：包括用于固定工件的转盘及置于转盘一侧的用于固定喷枪的喷枪支架，所述喷枪支架固定在丝杠螺母机构的螺母上，并由丝杠螺母机构带动滑动，所述丝杠螺母机构的丝杠与转盘面平行布置；所述转盘与直流电机连接并通过直流电机控制旋转速度及旋转方向。

6.根据权利要求5所述的在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，其特征在于所述转盘上设置若干个通孔。

7.根据权利要求5所述的在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，其特征在于由滑块和滑道代替丝杠螺母机构，即，所述喷枪支架固定在滑块上，滑块可沿导轨做平行于转盘面的直线运动。

8.根据权利要求5所述的在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，其特征在于等离子喷涂辅助系统还包括回转控制杆和行程开关，所述回转控制杆为两个且分别固定在转盘不同位置的通孔内；所述回转控制杆通过转盘的旋转可与行程开关碰触；所述行程开关连接正反转控制电路，正反转控制电路连接直流电机的输入电源。

9.根据权利要求5所述的在树脂材料表面制备氧化铝陶瓷涂层的方法，其特征在于假定滑块或螺母的运动方向为坐标轴的X向，则喷枪支架还具有可实现坐标轴Y向、Z向运动的结构。