CN106086980B - 一种铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法，本发明涉及一种铝合金基体表面改性的方法，它为了解决现有常规铝合金微弧氧化表面处理方法所得的涂层表面粗糙度高、耐腐蚀性能不佳的问题。制备方法：一、打磨铝合金和纯铜材的表面，放入丙酮中进行超声清洗；二、将主盐溶解到去离子水中，配制得到电解液；三、将清洗后的铝合金和铜材置于装有电解液的不锈钢槽体中，以铝合金和纯铜材作阳极、槽体为阴极，在脉冲电源的作用下，通过微弧氧化方法在铝合金基体上制得高光洁度涂层。本发明制得的涂层的粗糙度Ra仅为0.400μm～0.600μm，摩擦系数为0.1～0.4。涂层盐雾电化学测试，其腐蚀电流可达到10‑8A/cm2。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金基体表面改性的方法。
背景技术
铝合金因密度小、导热导电性好、比强度高、良好的力学物理性能、易加工成型和回收利用等优点，在航空航天、机械、建筑工程领域需求广泛，但其差的耐腐蚀性极大的限制了它的应用。研究发现高光洁度涂层因其表面的致密度较高，其耐腐蚀性能优异。因此，研究铝合金的表面改性技术以制备高光洁度涂层，在工业生产领域有很强的应用背景和目的意义。
传统铝合金表面耐腐蚀涂层的制备方法有阳极氧化技术、化学镀、激光熔覆法、等离子体注入技术、电弧喷涂技术等，然而目前的这些改性技术得到的涂层会存在涂层较薄、硬度较低、涂层与基体机械结合、涂层多孔、作业环境污染严重等问题。特别是在对铝合金性能要求较高的航空航天领域，上述方法所制涂层无法满足要求。微弧氧化是在阳极氧化基础上发展起来的一种新型表面处理技术，涂层与基体冶金结合，极大提高了铝合金表面的耐腐蚀耐磨损性能。
铝合金微弧氧化表面处理一直是研究热点，除了研究电源模式和电参数对铝合金微弧氧化膜层的影响外，研究较多的是电解液的影响。Haihe Luo等研究发现(NaPO3)6浓度为5g/L时所制备的涂层的抗腐蚀性能最好为6.84×10-7A/cm2，涂层厚度为22μm，粗糙度Ra为3.2μm。除了研究基础电解液的影响，向基础电解液中加入添加剂来改善电解液的性能也是研究热点。M.Kaseem等向NaAlO2、KOH电解液中加入苯甲酸钠，实验结果表明，加入苯甲酸钠的涂层的腐蚀电流为2.11×10-8A/cm2，涂层厚度为13μm，而不加苯甲酸钠涂层的腐蚀电流为1.84×10-5A/cm2。但铜元素引入电解液对合金微弧氧化涂层的研究较少，主要集中在涂层的着色方面。管靖远研究了硫酸铜对TC4钛合金涂层的影响，发现硫酸铜浓度增大涂层由灰色到深灰色，到军绿色，最后为红褐色。但是，碱性电解液中铜盐的引入必须加入络合剂，导致所配置电解液一般不稳定，所制涂层的粗糙度一般较大。
目前通过在铝合金微弧氧化过程中直接电解铜来改善电解液，制备高光洁度涂层未见文献报道。
常规微弧氧化方法所制高光洁度耐腐蚀性能优异的铝合金涂层，其涂层厚度一般在10μm左右，硬度较低，耐磨性能较差，涂层疲劳寿命较短。当所制涂层厚度大于20μm时，涂层粗糙度Ra≥2.000μm，则引起涂层耐腐蚀性能降低。如通过常规微弧氧化方法分步制得高光洁度耐腐蚀性能优异的铝合金涂层，则是先制备高厚度涂层，然后对涂层进行打磨处理，这使得加工工艺变得复杂且工件的打磨尺寸不易控制。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有常规铝合金微弧氧化表面处理方法所得一定厚度(≥20μm)的涂层表面粗糙度高、耐腐蚀性能不佳的问题，而提供一种铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法。
本发明铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法按以下步骤实现：
一、使用砂纸将铝合金和纯铜材的表面打磨去除氧化层，然后放入丙酮中进行超声清洗，分别得到清洗后的铝合金和清洗后的铜材；
二、按浓度为1g/L～10g/L将主盐溶解到去离子水中，配制得到电解液；
三、将步骤一得到的清洗后的铝合金和清洗后的铜材置于装有电解液的不锈钢槽体中，以清洗后的铝合金和纯铜材作阳极，以不锈钢槽体为阴极，采用脉冲微弧氧化电源供电，在恒流模式下以正负电流密度为1A/dm2～15A/dm2、频率为100Hz～1500Hz、占空比为10％～50％和搅拌的条件下进行微弧氧化处理，即在铝合金基体上制备得到高光洁度涂层。
本发明利用微弧氧化的方法使铝合金表面上的氧化层处于微等离子体的高温高压的作用下而发生相和结构的变化，制备的涂层与基底是冶金结合，具有良好的韧性、耐腐蚀、耐磨特性及良好的绝缘性，而且微弧放电区瞬间高温高压过程对基体未氧化的区域没有影响，涂层颜色、相组成、厚度、力学性能通过工艺参数(电参数、电解质等)的调节在较宽的范围内可控，设备简单、操作方便，经济高效，生产过程中无需气氛保护或真空条件，制备过程无环境污染性废液及废气的排放，是一种绿色环保型制备方法。
本发明在铝合金微弧氧化过程中直接电解铜，使铜元素在放电过程中直接烧结到膜层中，得到高光洁度膜层。应用本发明的方法得到的高光洁度涂层的厚度为20μm～40μm，粗糙度Ra仅为0.400μm～0.600μm，纳米硬度可达5GPa～10GPa，摩擦系数为0.1～0.4。涂层盐雾电化学测试，其腐蚀电流可达到10-8A/cm2。
附图说明
图1为相同条件下实施例一得到的高光洁度涂层和对比实施例所得涂层的厚度图；
图2为相同条件下实施例一得到的高光洁度涂层和对比实施例所得涂层粗糙度图；
图3为实施例一得到的高光洁度涂层的纳米硬度图，其中◆代表硬度，■代表模量；
图4为对比实施例得到的未电解铜涂层表面放大300倍的SEM图；
图5为实施例一所得高光洁度涂层表面放大300倍的SEM图；
图6为对比实施例得到的未电解铜涂层的截面元素分布图；
图7为实施例一所得高光洁度涂层的截面元素分布图；
图8为相同条件下实施例一所得高光洁度涂层和对比实施例所得涂层及基体摩擦系数图，其中A代表铝合金基体，B代表对比实施例得到的未电解铜试样，C代表实施例一得到的电解铜试样；
图9为相同条件下实施例一得到的高光洁度涂层和对比实施例所得涂层及基体腐蚀测试图，其中A代表铝合金基体，B代表对比实施例得到的未电解铜试样，C代表实施例一得到的电解铜试样。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法按以下步骤实现：
一、使用砂纸将铝合金和纯铜材的表面打磨去除氧化层，然后放入丙酮中进行超声清洗，分别得到清洗后的铝合金和清洗后的铜材；
二、按浓度为1g/L～10g/L将主盐溶解到去离子水中，配制得到电解液；
三、将步骤一得到的清洗后的铝合金和清洗后的铜材置于装有电解液的不锈钢槽体中，以清洗后的铝合金和纯铜材作阳极，以不锈钢槽体为阴极，采用脉冲微弧氧化电源供电，在恒流模式下以正负电流密度为1A/dm2～15A/dm2、频率为100Hz～1500Hz、占空比为10％～50％和搅拌的条件下进行微弧氧化处理，即在铝合金基体上制备得到高光洁度涂层。
本实施方式在放电过程中电解铜使铜元素烧结到涂层中，达到降低涂层表面粗糙度，提高其耐腐蚀性能的目的，所制涂层厚度在20μm～40μm可控，涂层粗糙度低，具有优异的耐腐蚀耐磨性能，所得涂层可直接应用于工业生产，无需后加工。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一依次使用320#和2000#的砂纸将铝合金和纯铜材的表面打磨去除氧化层。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或二不同的是步骤一所述的纯铜材的纯度大于99.99％，纯铜材的形状为棒状或柱状。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一所述的铝合金的型号为LD2、LD5或LY12。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二所述的主盐为硅酸钠、铝酸钠、四硼酸钠、氟化钠、六偏磷酸钠、碳酸钠中的一种或其中多种的混合物。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中铝合金的表面积S铝合金与纯铜材的表面积S纯铜材的比为1∶0.002～0.02。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三微弧氧化处理时的电解液温度为20℃～40℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三微弧氧化处理的时间为10min～60min。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三得到的高光洁度涂层的厚度为20μm～40μm。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤三在恒流模式下以正负电流密度为10A/dm2、频率为600Hz、占空比为30％和搅拌的条件下进行微弧氧化处理。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
实施例一：本实施例铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法按以下步骤实施：
一、依次使用320#和2000#的水砂纸将铝合金和纯铜材的表面打磨去除氧化层(至表面有明亮的金属光泽)，然后放入丙酮中进行超声清洗5min去油，蒸馏水清洗后冷风吹干，分别得到清洗后的铝合金和清洗后的铜材；
二、将主盐溶解到去离子水中，配制得到电解液；
三、将步骤一得到的清洗后的铝合金和清洗后的铜材置于装有电解液的不锈钢槽体中，以清洗后的铝合金和纯铜材作阳极，其中铝合金的表面积S铝合金与纯铜材的表面积S纯铜材的比为1∶0.004，以不锈钢槽体为阴极，采用脉冲微弧氧化电源供电，在恒流模式下以正负电流密度为10A/dm2、频率为600Hz、占空比为30％和搅拌的条件下进行微弧氧化处理40min，即在铝合金基体上制备得到高光洁度涂层。
其中步骤一中的铝合金为LD2铝合金，尺寸为Ф45×5mm，表面积为0.389dm2，步骤二电解液的组成为氢氧化钾：3g/L，硅酸钠：1g/L，铝酸钠：1g/L。步骤三将制冷机温度设置在20℃，通过制冷系统保证微弧氧化处理过程中电解槽内溶液的温度低于35℃。电源阳极连接在铝合金和纯铜材上，电源阴极连接在电解槽边缘。
对比实施例：本实施例与实施例一不同的仅是步骤三以清洗后的铝合金作阳极，以不锈钢槽体为阴极，从而得到未电解铜涂层。
图1所示，相同条件下S铝合金∶S纯铜材＝1∶0.004所制涂层和对比实施例所得涂层的厚度均在20μm以上，差别不大。
图2所示，虽然相同条件下S铝合金∶S纯铜材＝1∶0.004所制涂层和对比实施例所得涂层的厚度基本一致，然而其粗糙度差别很大。S铝合金∶S纯铜材＝1∶0.004所制涂层的粗糙度为0.505μm，而对比实施例所制涂层为2.598μm。
图3所示为S铝合金∶S纯铜材＝1∶0.004条件下所制高光洁度涂层的纳米硬度图，可以看出涂层的纳米硬度达到7GPa左右。
图4所示为对比实施例所制涂层放大300倍表面形貌图。可以看出，涂层表面凸起熔融颗粒物较多，出现局部多次放电，出现较多的孔洞和裂纹。
图5所示为实施例一所制涂层放大300倍表面形貌图。图中可以看出，涂层表面比较致密平整，涂层几乎无局部多次放电。
图6所示为对比实施例所得涂层截面元素分布图，可以看出涂层较疏松，截面主要元素为Al、O和Si。
图7所示为实施例一所得涂层即S铝合金∶S纯铜材＝1∶0.004所制涂层截面元素分布图，可以看出涂层较致密，截面主要元素为Al、O、Cu和Si。很明显涂层经烧结渗入铜元素，膜层粗糙度的降低和此有很大关系。
图8所示为涂层与Y80硬质合金盘对磨，载荷20N，滑动速度为0.8m/s，滑动距离1000m所得摩擦系数图。可以看出，S铝合金∶S纯铜材＝1∶0.004所制涂层的的摩擦系数稳定为0.2，对比实施例所得涂层的摩擦系数为0.4，基体的摩擦系数为0.8且上下波动较大。可见电解铜所制涂层的摩擦系数最小且最稳定，涂层有优异的耐磨损性能。
图9所示为涂层腐蚀测试图，测试条件为正负电压：200mv扫描速度：5mv/s，工作电极：样品，辅助电极：Pt，参比电极：饱和甘汞，溶液：3.5％NaCl溶液，接触面积：1cm2。可以看出，S铝合金∶S纯铜材＝1∶0.004所制涂层的腐蚀电流为1.253×10-8A/cm2，对比实施例所制涂层的腐蚀电流为3.882×10-7A/cm2，基体的腐蚀电流为5.479×10-5A/cm2，可见电解铜所制涂层的腐蚀电流最小较基体降低3个数量级，较未电解铜所制涂层降低1个数量级，开路电位上升0.4V，其耐腐蚀性能明显提高。
Claims (6)
1.铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法，其特征在于是按下列步骤实现：
一、使用砂纸将铝合金和纯铜材的表面打磨去除氧化层，然后放入丙酮中进行超声清洗，分别得到清洗后的铝合金和清洗后的铜材；
二、按浓度为1g/L～10g/L将主盐溶解到去离子水中，配制得到电解液；
三、将步骤一得到的清洗后的铝合金和清洗后的铜材置于装有电解液的不锈钢槽体中，以清洗后的铝合金和纯铜材作阳极，以不锈钢槽体为阴极，采用脉冲微弧氧化电源供电，在恒流模式下以正负电流密度为1A/dm2～15A/dm2、频率为100Hz～1500Hz、占空比为10％～50％和搅拌的条件下进行微弧氧化处理，即在铝合金基体上制备得到厚度为20μm～40μm高光洁度涂层；
其中步骤二所述的主盐为硅酸钠、铝酸钠、四硼酸钠、氟化钠、六偏磷酸钠、碳酸钠中的一种或其中多种的混合物；步骤三中铝合金的表面积S铝合金与纯铜材的表面积S纯铜材的比为1∶0.002～0.02；步骤三微弧氧化处理时的电解液温度为20℃～40℃。
2.根据权利要求1所述的铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法，其特征在于步骤一依次使用320#和2000#的砂纸将铝合金和纯铜材的表面打磨去除氧化层。
3.根据权利要求1所述的铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法，其特征在于步骤一所述的纯铜材的纯度大于99.99％，纯铜材的形状为棒状或柱状。
4.根据权利要求1所述的铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法，其特征在于步骤一所述的铝合金的型号为LD2、LD5或LY12。
5.根据权利要求1所述的铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法，其特征在于步骤三微弧氧化处理的时间为10min～60min。
6.根据权利要求1所述的铝合金基体上高光洁度涂层的制备方法，其特征在于步骤三在恒流模式下以正负电流密度为10A/dm2、频率为600Hz、占空比为30％和搅拌的条件下进行微弧氧化处理。
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