CN106702459B - 一种在锆合金表面制备耐磨多孔氧化锆陶瓷层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在锆合金表面制备耐磨多孔氧化锆陶瓷层的方法，所述锆合金的成分为Zr47Ti45Al5V3，其制备方法主要包括以下步骤：(1)锆合金表面预处理；(2)配置微弧氧化电解液，其主要成分为Na2SiO3水溶液、Na3PO4、碱性电解质KOH和KF；(3)超声微弧氧化处理，超声波频率为30kHz～60kHz、微弧氧化电压为200V～500V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化5min～60min，最后冲洗至锆合金表面干净，自然晾干。本发明工艺简单，使用的设备造价低廉，制品工艺成本低，制备的锆合金与核工业和醋酸工业使用的锆合金相比，强度提高了108％，密度降低了12％左右，具有成为在航空航天以及舰船和海洋工程中有应用潜力的新型结构材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料表面改性方法，特别是一种锆合金表面的改性方法。
背景技术
随着人类社会的进步，科学技术水平的不断发展，人类探索未知世界的越来越深入，与此同时，需要探索的环境也变得越来越苛刻，在保证服役材料正常工作的同时还需保证构件的服役寿命，传统材料逐渐无法满足对人们生产和科学研究中对材料综合性能的要求，因此对于新材料的开发十分迫切。
锆合金具有高熔点、较低的原子热中子吸收截面以及很强的耐腐蚀性，已在核工业中得到广泛的应用，其中，典型的合金牌号为Zr-2、Zr-4、Zr-1Nb、Zr-2.5Nb等。除此之外，由于锆合金的耐腐蚀性能良好，在醋酸工业中也得到应用。这一类应用对锆合金的力学性能要求不高，因此上述的各种牌号锆合金的强度相对都比较低(如Zr-4合金的拉伸强度在650MPa，Zr-1Nb在450MPa左右)。由于锆合金的高熔点、较低的密度、良好的耐腐蚀性能以及抗各种射线的辐照能力，在航空航天以及舰船和海洋工程中都具有广阔的应用潜质。通过在金属锆中添加其它的金属元素，可以有效提高锆合金的强度，以满足作为结构材料对力学性能的要求。但是用锆合金制造齿轮、凸轮等具有相对运动的构件时，需要合金表面具有较高的硬度以提高抗摩擦磨损的能力。如果采用传统合金钢的淬火处理工艺，由于锆合金在高温条件下极易氧化，必须要在真空条件下进行加热和淬火处理，否则无法得到预期的表面硬度，而这种真空淬火工艺过程复杂、真空淬火设备造价昂贵、对处理过程的环境要求苛刻，制造成本高。另外通过淬火处理虽然可以提高硬度，但会导致锆合金的延伸率下降，使抗冲击能力降低。因此，采用微弧氧化技术可以在锆合金表明形成一层耐磨的多孔陶瓷层，从而改善和提高锆合金的耐摩擦磨损能力，还可有效避免真空淬火的不足。本发明基于一种新型锆合金(Zr47Ti45Al5V3)，通过微弧氧化技术进行表面改性，提高表面硬度，以满足工程应用中对该材料表面硬度的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉、能够改善和提高锆合金的耐摩擦磨损能力的在锆合金表面制备耐磨多孔氧化锆陶瓷层的方法。本发明主要是用微弧氧化方法，使用以Na2SiO3和Na3PO4为主的电解液，通过不同的电压以及氧化时间的工艺条件下，在新型锆合金(Zr47Ti45Al5V3)的表面制备具有m-ZrO2和t-ZrO2混合晶型的多孔陶瓷层。
本发明的技术方案如下：
本发明制备的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后按加工要求加工成不同形状不同尺寸的锆合金。
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将锆合金(Zr47Ti45Al5V3)锻造态切成厚为2.8～3.2mm的锆合金片，并在锆合金片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该锆合金片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10～15min，自然晾干后在锆合金片的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为40mm～60mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为30kHz～60kHz、微弧氧化电压为200V～500V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为10min～40min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的新型锆合金(Zr47Ti45Al5V3)进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、制得的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)与核工业和醋酸工业使用的锆合金相比，强度提高了108％，密度降低了12％左右，具有成为在航空航天以及舰船和海洋工程中有应用潜力的新型结构材料。
2、本发明与锆合金的真空淬火技术相比，具有工艺简单，使用的设备造价低廉，制品工艺成本低的优点；
3、可在锆合金(Zr47Ti45Al5V3)表面形成具有m-ZrO2和t-ZrO2混合晶型的多孔陶瓷层，这种混合晶型的多孔陶瓷层硬度高、耐磨性能好，还具有储存润滑油或润滑脂能力，可显著降低锆合金(Zr47Ti45Al5V3)的磨损速率。
附图说明
图1为本发明实施例1未经表面处理的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)X射线衍射图；
图2为本发明实施例1、2、3经过10、20、40min微弧氧化处理后的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)表面X射线衍射图；
图3为本发明实施例3经过40min微弧氧化处理后锆合金(Zr47Ti45Al5V3)表面多孔陶瓷层扫描电镜图；
图4为本发明实施例3经过40min微弧氧化处理后的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)沿表层至基体的硬度分布图。
具体实施方式
实施例1
需要制备的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后加工成φ30mm的锆合金圆棒。
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将上述锆合金(Zr47Ti45Al5V3)锻造态圆棒切成φ30×2.8mm的圆片，并在圆片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该种锆合金圆片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10min，自然晾干后在锆合金圆片的的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用，得到预处理后的锆合金；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金圆片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为40mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为30kHz、微弧氧化电压为200V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为10min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金试样，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
采用CSM球盘式摩擦磨损试验机(实验条件：载荷为5N，转速为6cm/s，实验距离100m)对制得的锆合金进行试验，其磨损率见表1中实施例1所对应的数值，相对于未经处理的锻造态未经表面处理的锆合金具有更好的耐磨性。
利用X射线衍射仪(Rikagu D/Max 2000,Japan)对未经表面处理的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)，如图1所示，X射线衍射图谱主要由α和β双相构成；经过处理后的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)如图2所示，其主要成分由m-ZrO2和t-ZrO2构成。结果表明，经过处理后的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)表面生成了一层氧化陶瓷层。
实施例2
需要制备的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后加工成长宽高分别为30×30×20mm的块体锆合金。
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将上述锆合金(Zr47Ti45Al5V3)锻造态块体锆合金切成30×15×2.8mm的薄片，并在薄片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该种锆合金薄片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10min，自然晾干后在锆合金薄片的的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用，得到预处理后的锆合金；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金薄片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为50mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为45Hz、微弧氧化电压为200V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为20min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金试样，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
采用CSM球盘式摩擦磨损试验机(实验条件：载荷为5N，转速为6cm/s，实验距离100m)对制得的锆合金进行试验，其磨损率见表1中实施例2所对应的数值，相对于未经处理的锻造态未经表面处理的锆合金具有更好的耐磨性。
如图2所示，经过处理后的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)的主要成分由m-ZrO2和t-ZrO2构成，表明，在锆合金(Zr47Ti45Al5V3)表面生成了一层氧化陶瓷层。
实施例3
需要制备的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后加工成φ45mm的锆合金圆棒。
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将上述锆合金(Zr47Ti45Al5V3)锻造态圆棒切成φ30×2.8mm的圆片，并在圆片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该种锆合金圆片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10min，自然晾干后在锆合金圆片的的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用，得到预处理后的锆合金；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金圆片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为60mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为60kHz、微弧氧化电压为200V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为40min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金试样，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
采用CSM球盘式摩擦磨损试验机(实验条件：载荷为5N，转速为6cm/s，实验距离100m)对制得的锆合金进行试验，其磨损率见表1中实施例3所对应的数值，相对于未经处理的锻造态未经表面处理的锆合金具有更好的耐磨性。
如图2所示，经过处理后的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)的主要成分由m-ZrO2和t-ZrO2构成，表明，在锆合金(Zr47Ti45Al5V3)表面生成了一层氧化陶瓷层。
利用扫描电子显微镜(Hitachi 3400N,Japan)对进行试验处理制备的具有陶瓷层的表面进行检测，结果如图3所示，经过处理的表面呈现均匀的多孔氧化锆陶瓷形貌。
利用电火花线切割机将制备后的锆合金切开，并采用显微硬度仪对其表面陶瓷层硬度进行测试，其结果如图4所示，经过制备后的锆合金表面的硬度显著提升。
实施例4
需要制备的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后加工成φ30mm的锆合金圆棒。
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将上述锆合金(Zr47Ti45Al5V3)锻造态圆棒切成φ30×3.0mm的圆片，并在圆片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该种锆合金圆片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10min，自然晾干后在锆合金圆片的的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用，得到预处理后的锆合金；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金圆片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为40mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为50kHz、微弧氧化电压为450V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为10min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金试样，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的新型锆合金(Zr47Ti45Al5V3)进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
采用CSM球盘式摩擦磨损试验机(实验条件：载荷为5N，转速为6cm/s，实验距离100m)对制得的锆合金进行试验，其磨损率见表1中实施例4所对应的数值，相对于未经处理的锻造态未经表面处理的锆合金具有更好的耐磨性。
实施例5
需要制备的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后加工成长宽高分别为30×30×20mm的块体锆合金。
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将上述锆合金(Zr47Ti45Al5V3)锻造态块体锆合金切成30×15×3.2mm的薄片，并在薄片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该种锆合金薄片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10min，自然晾干后在锆合金薄片的的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用，得到预处理后的锆合金；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金薄片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为50mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为60Hz、微弧氧化电压为400V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为20min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金试样，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的新型锆合金(Zr47Ti45Al5V3)进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
采用CSM球盘式摩擦磨损试验机(实验条件：载荷为5N，转速为6cm/s，实验距离100m)对制得的锆合金进行试验，其磨损率见表1中实施例5所对应的数值，相对于未经处理的锻造态未经表面处理的锆合金具有更好的耐磨性。
实施例6
需要制备的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后加工成φ45mm的锆合金圆棒。
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将上述锆合金(Zr47Ti45Al5V3)锻造态圆棒切成φ30×3.0mm的圆片，并在圆片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该种锆合金圆片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10min，自然晾干后在锆合金圆片的的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用，得到预处理后的锆合金；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金圆片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为60mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为50kHz、微弧氧化电压为400V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为40min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金试样，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的新型锆合金(Zr47Ti45Al5V3)进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
采用CSM球盘式摩擦磨损试验机(实验条件：载荷为5N，转速为6cm/s，实验距离100m)对制得的锆合金进行试验，其磨损率见表1中实施例6所对应的数值，相对于未经处理的锻造态未经表面处理的锆合金具有更好的耐磨性。
实施例7
需要制备的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后加工成φ30mm的锆合金圆棒。
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将上述锆合金(Zr47Ti45Al5V3)锻造态圆棒切成φ30×3.2mm的圆片，并在圆片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该种锆合金圆片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10min，自然晾干后在锆合金圆片的的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用，得到预处理后的锆合金；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金圆片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为40mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为30kHz、微弧氧化电压为500V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为10min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金试样，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的新型锆合金(Zr47Ti45Al5V3)进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
采用CSM球盘式摩擦磨损试验机(实验条件：载荷为5N，转速为6cm/s，实验距离100m)对制得的锆合金进行试验，其磨损率见表1中实施例7所对应的数值，相对于未经处理的锻造态未经表面处理的锆合金具有更好的耐磨性。
实施8
需要制备的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后加工成长宽高分别为30×30×20mm的块体锆合金。
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将上述锆合金(Zr47Ti45Al5V3)锻造态块体锆合金切成30×15×3.2mm的薄片，并在薄片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该种锆合金薄片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10min，自然晾干后在锆合金薄片的的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用，得到预处理后的锆合金；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金薄片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为50mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为40kHz、微弧氧化电压为500V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为20min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金试样，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的新型锆合金(Zr47Ti45Al5V3)进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
采用CSM球盘式摩擦磨损试验机(实验条件：载荷为5N，转速为6cm/s，实验距离100m)对制得的锆合金进行试验，其磨损率见表1中实施例8所对应的数值，相对于未经处理的锻造态未经表面处理的锆合金具有更好的耐磨性。
实施例9
需要制备的锆合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后加工成φ45mm的锆合金圆棒。
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将上述锆合金(Zr47Ti45Al5V3)锻造态圆棒切成φ30×3.2m的圆片，并在圆片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该种锆合金圆片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10min，自然晾干后在锆合金圆片的的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用，得到预处理后的锆合金；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金圆片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为60mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为60kHz、微弧氧化电压为500V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为40min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金试样，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的新型锆合金(Zr47Ti45Al5V3)进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
采用CSM球盘式摩擦磨损试验机(实验条件：载荷为5N，转速为6cm/s，实验距离100m)对制得的锆合金进行试验，其磨损率见表1中实施例9所对应的数值，相对于未经处理的锻造态未经表面处理的锆合金具有更好的耐磨性。
表1
Claims (1)
1.一种在锆合金表面制备耐磨多孔氧化锆陶瓷层的方法，所述锆合金为Zr47Ti45Al5V3，是使用工业级纯度的海绵锆、海绵钛、铝颗粒和钒块，用自耗电弧炉熔炼三次，得到的合金铸锭经过三镦三拔后按照加工要求加工成不同形状不同尺寸的锆合金，其特征在于：
(1)锆合金表面预处理：利用电火花线切割机将锆合金Zr47Ti45Al5V3锻造态切成厚为2.8～3.2mm的锆合金片，并在锆合金片上钻一个圆孔，接着使用180#，600#，1000#和1500#砂纸依次对该锆合金圆片表面进行打磨抛光，再依次使用丙酮溶液，无水乙醇溶液和去离子水对其进行超声波清洗，清洗时间均为10～15min，自然晾干后在锆合金片的圆孔处拴上铝丝，放入密封袋中密封备用；
(2)配置微弧氧化电解液：将Na2SiO3加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的Na2SiO3水溶液，接着将Na3PO4加入到Na2SiO3水溶液中并搅拌至完全溶解，Na3PO4浓度为30g/L；将碱性电解质KOH加入到蒸馏水中搅拌至完全溶解，得到浓度为10g/L的KOH水溶液；将含有Na2SiO3和Na3PO4水溶液与KOH水溶液按体积比1：1的比例充分混合后，得到混合溶液，然后按每立升混合溶液加入12g KF的比例，将KF加入到上述混合溶液中搅拌至混合均匀，最后按混合溶液与丙三醇的体积比为50：1的比例，加入丙三醇并搅拌至均匀，得到微弧氧化电解液；
(3)超声微弧氧化处理：将步骤(2)得到的微弧氧化电解液倒入不锈钢电解槽中，对装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽进行超声震荡处理，微弧氧化设备阴极连接装入微弧氧化电解液的不锈钢电解槽，微弧氧化设备阳极连接步骤(1)得到的预处理后的锆合金片上的铝丝，设置微弧氧化设备的阴极和阳极之间的距离为40mm～60mm，启动微弧氧化设备，然后在超声波频率为30kHz～60kHz、微弧氧化电压为200V～500V、脉宽为100μs、脉冲频率为500Hz，电解液温度为40℃的条件下进行微弧氧化时间为5min～60min，关闭微弧氧化设备及超声波振荡设备，得到超声微弧氧化处理后的锆合金，采用无水乙醇和蒸馏水对超声微弧氧化处理后的锆合金Zr47Ti45Al5V3进行冲洗至表面干净，自然晾干，得到带有耐磨多孔氧化锆陶瓷层的锆合金。
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