CN108239778A - 一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，该方法为：一、对钛合金表面依次进行预磨、酸洗和冲洗；二、由六偏磷酸钠、硅酸钠和氟锆酸钾加水制成电解液；三、将钛合金置于不锈钢电解槽中，再加入电解液，所述钛合金作为阳极，所述不锈钢电解槽作为阴极，采用脉冲微弧氧化电源设备在钛合金表面进行微弧氧化制备高发射率陶瓷涂层。本发明采用微弧氧化技术在钛合金表面涂层中引入电解质溶液中的组分，并通过分步恒压控制以及调节电解质溶液中各组分的比例，成功实现对钛合金基体表面陶瓷涂层的均匀性以及致密性的改善，制备出了具有高发射率兼具良好结合力的钛合金表面陶瓷涂层。
Description
技术领域
本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法。
背景技术
钛及其合金具有密度小、强度高、良好的抗腐蚀性能与拉伸性能，而在航空航天领域被广泛用作飞行器的结构材料与机身材料。但在高速飞行过程中的气体由于受到剧烈压缩会与机身表面产生强烈的摩擦，边界层内高速气流的动能直接转化为热能对表面进行加热，高速飞行的飞机表皮温度上升的主要部分便来源于该能量，此外长时间的太阳光照射也会使得机身的温度不断上升。机身温度过高后会使飞机内部电子元器件的正常工作受到严重影响，同时机身外层的钛合金在高温下也会产生氧化和氧脆，导致热稳定性急剧下降，对飞行器的工作性能产生了极大的负面影响。所以有必要对飞行器表面的钛合金材料进行一定的表面处理，使其能够把积聚的热量通过辐射传热的方式及时发散起到降低飞行器表面温度的作用。
微弧氧化技术是近年来发展起来的一种新兴表面处理技术，其建立在普通阳极氧化的基础上，将工件置于电解液中并施加电压使其产生微弧放电，表面金属与电解液相互作用形成陶瓷膜。微弧氧化技术与常温刷涂、等离子喷涂、表面沉积法、阳极氧化等常见的钛合金表面处理工艺相比具有基体与膜层结合力强，技术工艺简单易操作，膜层的厚度在一定范围内可控等优点，解决了难以在形状复杂工件表面喷涂或涂层结构不均匀的缺点。
多价态的过渡金属氧化物如Fe2O3、NiO、CuO、Co2O3、MnO2、Cr2O3、TiO2、Ln2O3等由于其原子最外层有未成对电子，更易发生电子轨道的跃迁，当其掺入适当的晶体中时可产生电偶极矩，使得在电场作用下难以发生的电子跃迁，从而可提高光谱发射率，因此可在电解质溶液中引入多价态金属离子来实现涂层中金属氧化物的生成，从而提高涂层的发射率，但目前采用微弧氧化制备具有高发射率的陶瓷涂层的研究还比较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法。该制备方法采用微弧氧化技术在钛合金表面涂层中引入电解质溶液中的组分，并通过分步恒压控制以及调节电解质溶液中各组分的比例，成功实现对钛合金基体表面陶瓷涂层的均匀性以及致密性的改善，制备出了具有高发射率，同时兼具良好结合力的钛合金表面陶瓷涂层。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用砂轮将钛合金周围的毛刺去掉，再采用砂纸对钛合金进行预磨处理，得到去除表面氧化层的钛合金，然后浸入到混合酸中酸洗5s～10s，再用蒸馏水冲刷干净得到表面光滑的钛合金；
步骤二、由六偏磷酸钠、硅酸钠和氟锆酸钾加水制成电解液，所述电解液中六偏磷酸钠的含量为10g/L～30g/L，硅酸钠的含量为10g/L～20g/L，氟锆酸钾的含量为0.5g/L～3g/L；
步骤三、将步骤一处理后的钛合金置于装有步骤二中所述电解液的不锈钢电解槽中，所述钛合金作为阳极与电源的正极相连接，所述不锈钢电解槽作为阴极与电源负极相连接，控制电解液的温度为15℃～30℃，采用脉冲微弧氧化电源设备进行分步恒压控制：先在恒电压为500V～600V的条件下微弧氧化30min～40min，再在恒电压为480V～580V的条件下微弧氧化10min～20min，微弧氧化过程中控制升压的时间为60s～120s，频率为500Hz～700Hz，占空比为20％～30％，最后采用蒸馏水冲洗干净钛合金的表面并吹干，则在钛合金表面得到高发射率陶瓷涂层；在红外波长为5μm～20μm的条件下所述高发射率陶瓷涂层的发射率为0.87～0.95。
上述的一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中依次使用240目、800目、1500目砂纸对钛合金表面进行预处理。
上述的一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中所述混合酸由HF溶液和HNO3溶液混合而成，所述混合酸中HF的质量百分含量为7％，HNO3的质量百分含量为21％。
上述的一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤三所述钛合金置于不锈钢电解槽的中部，保证微弧氧化的阳极和阴极保证一定距离，使得在微弧氧化时能够在钛合金表面得到均匀的高发射率陶瓷涂层。
上述的一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述不锈钢电解槽的外壁上设置有用于控制电解液温度的循环水系统，所述循环水系统包括缠绕在不锈钢电解槽外壁上的循环管，所述循环管内通有用于控制电解液温度的循环水，采用该循环水系统就可以使该涂层的制备不受外界温度的影响，保证微弧氧化始终能够控制在15℃～30℃的条件下进行。
上述的一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤三所述高发射率陶瓷涂层的厚度为20μm～60μm，粗糙度为3μm～5μm，所述高发射率陶瓷涂层和钛合金的结合强度为8MPa～15MPa。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用微弧氧化技术在钛合金表面制备了高发射率的陶瓷涂层。在微弧氧化过程中采用分步恒压控制，从而可获得致密性能良好的涂层。该致密涂层与钛合金基体实现了冶金结合，结合力良好，结合强度可达8MPa～15MPa，且在温度为400℃到室温的热震试验中循环50次涂层没有发生损坏与脱落，具有较好的热稳定性。涂层的厚度与发射系数均可通过控制电压和电解液的组分来调节，工艺简单易于实现。
2、本发明采用分布控压法，第二次微弧氧化比第一次微弧氧化的电压值低，此方法更有利于提高涂层致密性，并配合由六偏磷酸钠、硅酸钠和氟锆酸钾加水制成电解液，可使得微弧氧化制备的高发射率陶瓷涂层厚度均匀、适中且致密，电解液中六偏磷酸钠和硅酸钠共同作为电解液的主要成分可以使膜层在厚度增加的同时获得较高的致密性。
3、本发明制备的高发射率陶瓷涂层结构均匀，涂层厚度达到20μm～60μm，涂层的发射率为0.87～0.95，涂层的粗糙度为3μm～5μm，并且在温度为400℃到室温的热震循环试验中循环50次高发射率陶瓷涂层没有发生损坏与脱落，具有较好的热稳定性。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例2在TA6钛合金表面制备的高发射率陶瓷涂层的XRD衍射图。
图2为本发明实施例2在TA6钛合金表面制备的高发射率陶瓷涂层的表面SEM扫描图。
图3为本发明实施例2在TA6钛合金表面制备的高发射率陶瓷涂层的截面SEM扫描图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一、使用砂轮将TC3钛合金周围的毛刺去除，再用240目、800目、1500目砂纸对TC3钛合金进行打磨，表面光滑后将TC3钛合金浸入混合酸中酸洗5s～10s，所述混合酸由HF和HNO3加水混合制成，所述混合酸中HF的质量百分含量为7％，HNO3的质量百分含量为21％，酸洗能去除掉TC3钛合金表面油污和氧化膜，再采用蒸馏水冲洗掉残余酸液，得到表面光滑的TC3钛合金；
步骤二、由六偏磷酸钠、硅酸钠和氟锆酸钾加水制成电解液，所述电解液中六偏磷酸钠的含量为10g/L，硅酸钠的含量为10g/L，氟锆酸钾的含量为0.5g/L，六偏磷酸钠和硅酸钠为主盐体系，氟锆酸钾为添加剂；
步骤三、将步骤一处理所得的TC3钛合金置于不锈钢电解槽中央，并向所述电解槽中加入步骤二中配置的电解液，使TC3钛合金样品没入电解液，将电源正极TC3钛合金相接，电源负极与不锈钢电解槽相接，开启设置在不锈钢电解槽外侧的循环水系统，确保电解液的反应温度控制在15℃，采用脉冲微弧氧化设备进行分步恒压控制，在恒压500V下微弧氧化反应30min、然后在480V下微弧氧化反应10min，且控制微弧氧化过程中升压的时间为60s、频率为500Hz，占空比为20％，反应结束后关闭微弧氧化设备，待电压降到0V后取出TC3钛合金，用蒸馏水冲洗掉TC3钛合金表面的残余电解液，吹干后在TC3钛合金表面得到高发射率陶瓷涂层。
本实施例中，所述不锈钢电解槽的外壁上设置有循环水系统，所述循环水系统包括缠绕在不锈钢电解槽外壁上的循环管，所述循环管内通过用于控制电解液温度为15℃的循环水。
本实施例在TC3钛合金表面制备的高发射率陶瓷涂层的厚度为20μm，粗糙度为5μm，所述高发射率陶瓷涂层和TC3钛合金的结合强度为8MPa；在红外波段5μm～20μm的范围内制备的高发射率陶瓷涂层的发射率为0.87，且在温度为400℃到室温的热震循环试验中循环50次高发射率陶瓷涂层没有发生损坏与脱落，具有较好的热稳定性。
实施例2
本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一、使用砂轮将TA6钛合金周围的毛刺去除，再用240目、800目、1500目砂纸对TA6钛合金进行打磨，表面光滑后将TA6钛合金浸入混合酸中酸洗5s～10s，所述混合酸由HF和HNO3加水混合制成，所述混合酸中HF的质量百分含量为7％，HNO3的质量百分含量为21％，酸洗能去除掉TA6钛合金表面油污和氧化膜，再采用蒸馏水冲洗掉残余酸液，得到表面光滑的TA6钛合金；
步骤二、由六偏磷酸钠、硅酸钠和氟锆酸钾加水制成电解液，所述电解液中六偏磷酸钠的含量为15g/L，硅酸钠的含量为15g/L，氟锆酸钾的含量为2g/L，六偏磷酸钠和硅酸钠为主盐体系，氟锆酸钾为添加剂；
步骤三、将步骤一处理所得的TA6钛合金置于不锈钢电解槽中央，并向所述电解槽中加入步骤二中配置的电解液，使TA6钛合金样品没入电解液，将电源正极TA6钛合金相接，电源负极与不锈钢电解槽相接，开启设置在不锈钢电解槽外侧的循环水系统，确保电解液的反应温度控制在25℃，采用脉冲微弧氧化设备进行分步恒压控制，在恒压550V下微弧氧化反应35min、然后在530V下微弧氧化反应15min，且控制微弧氧化过程中升压的时间为90s、频率为600Hz，占空比为25％，反应结束后关闭微弧氧化设备，待电压降到0V后取出TA6钛合金，用蒸馏水冲洗掉TA6钛合金表面的残余电解液，吹干后在TA6钛合金表面得到高发射率陶瓷涂层。
本实施例中，所述不锈钢电解槽的外壁上设置有循环水系统，所述循环水系统包括缠绕在不锈钢电解槽外壁上的循环管，所述循环管内通过用于控制电解液温度为25℃的循环水。
图1为本实施例在TA6钛合金表面制备的高发射率陶瓷涂层的XRD衍射图，从图1可以看出陶瓷涂层的相组成主要为金红石、锐钛矿及氧化物TiO2，同时基体Ti也被检测出来。图2为本实施例在TA6钛合金表面制备的高发射率陶瓷涂层的表面SEM扫描图，从图2中可以看出涂层表面分布着大量的细密的放电孔，沉积物以雪花状分布于涂层表面上。图3为本实施例在TA6钛合金表面制备的高发射率陶瓷涂层的截面SEM扫描图，从图3可以看出涂层与基体结合紧密，具有较高的致密度，放电孔贯穿于涂层表面。
本实施例在TA6钛合金表面制备的高发射率陶瓷涂层的厚度为45μm，粗糙度为3.6μm，所述高发射率陶瓷涂层和TA6钛合金的结合强度为15MPa；在红外波段5μm～20μm的范围内制备的高发射率陶瓷涂层的发射率为0.95，且在温度为400℃到室温的热震试验中循环50次高发射率陶瓷涂层没有发生损坏与脱落，具有较好的热稳定性。
实施例3
本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一、使用砂轮将TA7钛合金周围的毛刺去除，再用240目、800目、1500目砂纸对TA7钛合金进行打磨，表面光滑后将TA7钛合金浸入混合酸中酸洗5s～10s，所述混合酸由HF和HNO3加水混合制成，所述混合酸中HF的质量百分含量为7％，HNO3的质量百分含量为21％，酸洗能去除掉TA7钛合金表面油污和氧化膜，再采用蒸馏水冲洗掉残余酸液，得到表面光滑的TA7钛合金；
步骤二、由六偏磷酸钠、硅酸钠和氟锆酸钾加水制成电解液，所述电解液中六偏磷酸钠的含量为30g/L，硅酸钠的含量为20g/L，氟锆酸钾的含量为3g/L，六偏磷酸钠和硅酸钠为主盐体系，氟锆酸钾为添加剂；
步骤三、将步骤一处理所得的TA7钛合金置于不锈钢电解槽中央，并向所述电解槽中加入步骤二中配置的电解液，使TA7钛合金样品没入电解液，将电源正极TA7钛合金相接，电源负极与不锈钢电解槽相接，开启设置在不锈钢电解槽外侧的循环水系统，确保电解液的反应温度控制在30℃，采用脉冲微弧氧化设备进行分步恒压控制，在恒压600V下微弧氧化反应40min、然后在580V下微弧氧化反应20min，且控制微弧氧化过程中升压的时间为120s、频率为700Hz，占空比为30％，反应结束后关闭微弧氧化设备，待电压降到0V后取出TA7钛合金，用蒸馏水冲洗掉TA7钛合金表面的残余电解液，吹干后在TA7钛合金表面得到高发射率陶瓷涂层。
本实施例中，所述不锈钢电解槽的外壁上设置有循环水系统，所述循环水系统包括缠绕在不锈钢电解槽外壁上的循环管，所述循环管内通过用于控制电解液温度为30℃的循环水。
本实施例在TA7钛合金表面制备的高发射率陶瓷涂层的厚度为60μm，粗糙度为3μm，所述高发射率陶瓷涂层和TA7钛合金的结合强度为12MPa；在红外波段5μm～20μm的范围内制备的高发射率陶瓷涂层的发射率为0.91，且在温度为400℃到室温的热震试验中循环50次高发射率陶瓷涂层没有发生损坏与脱落，具有较好的热稳定性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用砂轮将钛合金周围的毛刺去掉，再采用砂纸对钛合金进行预磨处理，得到去除表面氧化层的钛合金，然后浸入到混合酸中酸洗5s～10s，再用蒸馏水冲刷干净得到表面光滑的钛合金；
步骤二、由六偏磷酸钠、硅酸钠和氟锆酸钾加水制成电解液，所述电解液中六偏磷酸钠的含量为10g/L～30g/L，硅酸钠的含量为10g/L～20g/L，氟锆酸钾的含量为0.5g/L～3g/L；
步骤三、将步骤一处理后的钛合金置于装有步骤二中所述电解液的不锈钢电解槽中，所述钛合金作为阳极与电源的正极相连接，所述不锈钢电解槽作为阴极与电源负极相连接，控制电解液的温度为15℃～30℃，采用脉冲微弧氧化电源设备进行分步恒压控制：先在恒电压为500V～600V的条件下微弧氧化30min～40min，再在恒电压为480V～580V的条件下微弧氧化10min～20min，微弧氧化过程中控制升压的时间为60s～120s，频率为500Hz～700Hz，占空比为20％～30％，最后采用蒸馏水冲洗干净钛合金的表面并吹干，则在钛合金表面得到高发射率陶瓷涂层；在红外波长为5μm～20μm的条件下所述高发射率陶瓷涂层的发射率为0.87～0.95。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中依次使用240目、800目、1500目砂纸对钛合金表面进行预处理。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中所述混合酸由HF溶液和HNO3溶液混合而成，所述混合酸中HF的质量百分含量为7％，HNO3的质量百分含量为21％。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤三所述钛合金置于不锈钢电解槽的中部。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述不锈钢电解槽的外壁上设置有用于控制电解液温度的循环水系统，所述循环水系统包括缠绕在不锈钢电解槽外壁上的循环管，所述循环管内通有用于控制电解液温度的循环水。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金基体表面高发射率陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，步骤三所述高发射率陶瓷涂层的厚度为20μm～60μm，粗糙度为3μm～5μm，所述高发射率陶瓷涂层和钛合金的结合强度为8MPa～15MPa。
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Denomination of invention: Preparation of High Emissivity Ceramic Coating on titanium alloy substrate Effective date of registration: 20200825 Granted publication date: 20190813 Pledgee: Weiyang sub branch of Shaanxi qinnong Rural Commercial Bank Co., Ltd Pledgor: XI'AN SURFACE MATERIAL PROTECTION Co.,Ltd. Registration number: Y2020610000130 |
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Date of cancellation: 20220216 Granted publication date: 20190813 Pledgee: Weiyang sub branch of Shaanxi qinnong Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: XI'AN SURFACE MATERIAL PROTECTION Co.,Ltd. Registration number: Y2020610000130 |