CN109234783A - 一种对环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，通过控制阳极电位或电流，在弱碱性的复配体系使钛或钛合金表面在较低的电压或电流下产生均匀完整的一系列彩色氧化膜。

Description

一种对环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法

技术领域

本发明属于材料表面处理技术领域，涉及一种能够获得彩色钛合金阳极氧化膜且对环境友好的方法。

背景技术

钛合金质量轻、耐蚀性优异，作为重要的结构金属之一，其应用范围也逐渐广泛，在多个领域占有重要地位。随着社会的进步和科技的发展，在钛合金满足使用性能和耐蚀性能之外，对其外观的要求也越来越高，而阳极氧化处理可以使钛合金表面呈现不同色彩而获得美丽的外观。而阳极氧化技术是一种表面改性技术，主要是对特定溶液中的金属施加阳极电压或电流，从而在金属表面生成一层氧化薄膜。而钛合金阳极氧化生成的纳米级薄膜由于光的干涉作用，可呈现出不同的色彩，由于不同的膜厚会产生不同的干涉效应，因此可以通过控制钛合金阳极氧化膜的厚度使钛合金呈现不同的色彩。

目前的钛及钛合金的阳极氧化着色技术已经较为成熟，主要是采用主流电源通过施加阳极恒压或恒电流的方式进行，阳极氧化一般是在磷酸、硫酸、磷酸盐、硅酸盐等强酸或相应的盐溶液中进行，可以获得一系列彩色氧化膜。但是，以上强酸具有强腐蚀性，硅酸盐溶液由于容易形成溶胶会造成氧化膜均匀性差，色彩不鲜艳。如中国发明专利CN101717982公开了“一种无氟环保型钛合金表面阳极氧化着色方法”，采用了磷酸钠、硅酸钠、酒石酸、丙三醇溶液体系，工作电压8～96V。该方法工艺较复杂，且出现Si和P的掺杂，容易获得不均匀的颜色，且获得部分色彩的氧化膜需要通过较高的电压来实现。中国发明专利CN105239133A公开了“一种钛及钛合金表面阳极氧化着色方法”，采用浓硫酸和甲基磺酸的溶液体系，在3～15V的较低电压下获得了彩色氧化膜。该方法使用的溶液具有强腐蚀性，具有安全隐患。中国发明专利CN108301029A公开了“一种钛表面无掺杂低缺陷的彩色阳极氧化膜制备方法”，采用了无机酸硫酸、盐酸、硝酸中的至少一种，或有机酸甲酸、乙酸、柠檬酸、草酸、水杨酸、磺基水杨酸中的一种，或无机盐硫酸锰、草酸锰、硫酸亚锡、钼酸铵、柠檬酸钠中的一种，且上述每种酸或盐在溶液体系中体积溶度小于3％。，在电压20V～100V获得了蓝色、金黄色、洋红色和绿色的氧化膜。该方法采用的体系属于强酸或相应的盐溶液，不符合环保的要求。且红色和绿色的获得需要在较高电压下获得。中国发明专利CN1844483B“钛及钛表面阳极氧化着色的方法”和CN108301029A“一种钛合金阳极氧化着色工艺”分别在含磷酸、草酸、硫酸锰的溶液体系和无机酸磷酸、硫酸溶液体系获得均匀的彩色氧化膜，均强酸体系，仍不符合环保要求。综上所述，目前的钛合金阳极着色方法所采用的体系多为强酸体系，或含有P、S等环境不友好元素的强酸盐；且部分色彩的氧化膜需要在较高电压下获得，对于较大面积的工件，将需要较大电流，阳极氧化过程中产生较大热量，影响成膜的均匀性，同时造成较大的功耗，不经济。

针对以上发明的不足，本发明选择了在环境较为友好的弱酸、弱酸盐溶液体系中，在尽量较低的电压范围内对钛合金进行阳极氧化着色。

发明内容

为克服上述技术问题，本发明提供一种对环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，通过控制阳极电位或电流，在弱碱性的复配体系使钛或钛合金表面在较低的电压或电流下产生均匀完整的一系列彩色氧化膜。

为解决上述技术问题，本申请提供一种对环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，其包括：

第一步，钛合金表面处理；

第二步，阳极氧化着色；

第三步，后处理。

其中，所述第一步采用机械打磨与电解抛光结合的方法处理钛合金表面。

其中，所述电解抛光所采用的电解液是乙醇、n-丁醇、氯化铝溶液、氯化锌形成的电解液溶液。

其中，所述第二步中，以钛合金工件为阳极，石墨为阴极，放入阳极氧化溶液体系进行氧化着色。

其中，氧化溶液体系选择2～10g/L柠檬酸钠溶液中添加1～2g/L的柠檬酸，2～10g/L草酸钠溶液中添加1～2g/L的草酸，2～10g/L酒石酸钾溶液中添加1～2g/L的酒石酸，或2～10g/L葡萄糖酸钠溶液中添加1～2g/L的醋酸或草酸。

其中，阳极氧化着色的过程中阴极和阳极面积比不小于2。

其中，所述第三步采用先将着色的钛合金在蒸馏水中浸泡，随后采用污水乙醇超声波清洗，自然晾干，获得不同色泽的钛合金表面。

有益的技术效果

本发明在有机弱酸和弱酸盐溶液体系中，通过施加0～60V的恒电压，获得了色彩鲜亮、均匀、完整的钛合金氧化膜。该着色方法在较低的电压和小电流下获得，溶液体系对环境友好，工艺简单，经济实惠，提升了钛合金应用时的美观性，促进钛合金的应用。

附图说明

图1为本发明中的钛合金阳极氧化着色装置示意图。

具体实施方式

本申请提供一种对环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，其包括：

第一步，钛合金表面处理；

第二步，阳极氧化着色；

第三步，后处理。

所述第一步采用机械打磨与电解抛光结合的方法处理钛合金表面。

所述机械打磨采用金相砂纸将钛合金表面打磨至工件暴露面至3000#，随后超声清洗，自然风干。

所述电解抛光所采用的电解液是乙醇、n-丁醇、氯化铝溶液、氯化锌形成的电解液溶液，以钛合金为阳极、石墨为阴极，在10-30V的直流电压下电解1-2分钟，随后钛合金取出，清洗，冷风吹干，获得抛光表面。

所述电解液中各成分用量优选为乙醇80ml-100ml，n-丁醇5ml-20ml，氯化铝4g-8g，氯化锌25g-30g，进一步优选电解液的成分配比为乙醇90ml，n-丁醇10ml，氯化铝6g，氯化锌28g。

所述第二步中，以钛合金工件为阳极，石墨为阴极，放入阳极氧化溶液体系进行氧化着色。

我们采用的有机酸为草酸、酒石酸和柠檬酸。

我们采用的弱酸盐有柠檬酸钠、酒石酸钾、葡萄糖酸钠、醋酸钠、硼酸钠、磷酸二氢钠，通过与有机酸复配获得不同颜色的氧化膜。

我们发现单一的有机酸体系、弱酸盐体系分别进行不同电压下的阳极氧化着色试验后，均能够获得一系列色彩鲜艳的氧化膜如棕色、紫色、蓝色、黄色、粉红色等。

根据阳极氧化膜颜色与溶液浓度、氧化电压的之间变化规律，对着色的溶液进行复配，在弱酸盐体系中添加不同的有机酸，在0～60V低电压、小电流条件下获得一系列彩色氧化膜，如2～10g/L柠檬酸钠溶液中添加1～2g/L的柠檬酸能依次获得黄褐色、紫色、蓝灰色、浅黄色等，2～10g/L草酸钠溶液中添加1～2g/L的草酸能依次获得蓝色、灰色、浅黄色、珊瑚红色等，2～10g/L酒石酸钾溶液中添加1～2g/L的酒石酸能依次获得黄色、深蓝色、蓝灰色、灰色等，或2～10g/L葡萄糖酸钠溶液中添加1～2g/L的醋酸或草酸能依次获得浅蓝色、青黄色、金黄色、紫色等。阳极氧化着色的过程中阴极和阳极面积比不小于2。

所述第三步采用先将着色的钛合金在蒸馏水中浸泡，随后采用污水乙醇超声波清洗，自然晾干，获得不同色泽的钛合金表面。

以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1制备实例

前处理：室温下，在250ml烧杯中加入100ml无水乙醇，将尺寸大小均为10mm×10mm×10mm的TA2钛合金工件放入，超声清洗5min，自然风干，用金相砂纸打磨钛合金工件暴露面至3000#，流动去离子水清洗1min，无水乙醇清洗1min，冷风吹干。

电解抛光：室温下，在250mL烧杯中依次加入90m196％浓度的乙醇、10ml的n-丁醇、6g氯化铝、28g氯化锌，待完全溶解后，将钛合金工件和同尺寸石墨放入溶液，以钛合金为阳极，石墨为阴极，施加30V的直流电，通电1min后取出，流动去离子水清洗1min，无水乙醇清洗lmin，冷风吹干，得到抛光表面。

阳极氧化着色：所采用的氧化着色装置如图1所示，室温下，在1L去离子水中加入2g草酸钠，然后添加1g草酸，待溶液完全溶解后，将钛合金工件和石墨放入溶液，以钛合金为阳极，石墨为阴极，施加7.5V的直流电，通电1min后取出，流动去离子水清洗1min，无水乙醇清洗1min，冷风吹干，得到黄色表面。

实施例2

本实施例中所述的阳极氧化电压分别为12.5V、15V、20V。溶液体系为5g/L酒石酸钾溶液中添加1g/L酒石酸。

其余与实施例1相同。

最终处理完成后分别对应得到橘红色表面、紫色表面、深蓝色表面。

将阳极氧化电压进行进一步细分进行试验，将不同电压下的氧化膜颜色进行综合可以得到表1，发现仅改变阳极氧化电压即可得到不同颜色的表面。

表1不同阳极氧化电压下的氧化膜颜色

氧化电压	10V	20V	30V	40V
					氧化膜颜色	黄色	深蓝色	蓝灰色	灰色

实施例3

本实施例中所述的阳极氧化液为2g/L的葡萄糖酸钠溶液中添加1g/L葡萄糖及0.08g/L磷酸氢钠。

本实施例中所述的阳极氧化电压分别为30V、40V、50V、60V。

其余与实施例1相同。

最终处理完成后分别对应得到灰蓝色表面、青黄色表面、金黄色表面、紫色表面。

将阳极氧化电压进行进一步细分进行试验，将不同电压下的氧化膜颜色进行综合可以得到表2，发现仅改变阳极氧化电压即可得到不同颜色的表面。

表2不同阳极氧化电压下的氧化膜颜色

氧化电压	10V	20V	30V	40V
					氧化膜颜色	浅蓝色	青黄色	金黄色	紫色

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所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种对环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，其特征在于，包括：

第一步，钛合金表面处理；

第二步，阳极氧化着色；

第三步，后处理。

2.如权利要求1所述的环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，其特征在于：所述第一步采用机械打磨与电解抛光结合的方法处理钛合金表面。

3.如权利要求1或2所述的环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，其特征在于：所述电解抛光所采用的电解液是乙醇、n-丁醇、氯化铝溶液、氯化锌形成的电解液溶液。

4.如权利要求1至3所述的环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，其特征在于：所述第二步中，以钛合金工件为阳极，石墨为阴极，放入阳极氧化溶液体系进行氧化着色。

5.如权利要求1至4所述的环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，其特征在于：氧化溶液体系选择2～10g/L柠檬酸钠溶液中添加1～2g/L的柠檬酸，2～10g/L草酸钠溶液中添加1～2g/L的草酸，2～10g/L酒石酸钾溶液中添加1～2g/L的酒石酸，或2～10g/L葡萄糖酸钠溶液中添加1～2g/L的醋酸或草酸。

6.如权利要求1至5所述的环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，其特征在于：阳极氧化着色的过程中阴极和阳极面积比不小于2。

7.如权利要求1至6所述的环境友好的彩色钛合金阳极氧化膜制备方法，其特征在于：所述第三步采用先将着色的钛合金在蒸馏水中浸泡，随后采用污水乙醇超声波清洗，自然晾干，获得不同色泽的钛合金表面。