CN109652838A - 一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法 - Google Patents

一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属表面处理技术领域，为解决现有技术中尚无方法能够实现低成本对钛铌合金进行高效着色的问题，本发明提供了一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法。所述方法包括：1)预处理：对钛铌合金进行表面处理；2)阳极氧化：以经过表面处理的钛铌合金作为阳极、石墨作为阴极，置于电解液中在恒电压条件下进行阳极氧化，结束后清洗并干燥。本发明阳极氧化在钛铌合金上原位生长成结合牢固的着色膜层；可通过调节电解液的配比及施加的电压大小来改变钛铌合金薄膜的微观结构，从而呈现出一系列艳丽色彩，工艺简单，操作方便；获得的着色膜层颜色均匀，具有良好的耐腐蚀性能和生物相容性。

Description

一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，尤其涉及一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法。
背景技术
钛铌合金具有高比强度、良好的生物相容性、耐酸碱腐蚀性、可加工性等性能，广泛应用于石油化工、航空航天、核工业、电子、电器、超导、激光和生物医学材料等领域。
随着社会的发展以及人民生活水平质量的提高，越来越多的人注重物品的美观性。通过表面处理可以使材料表面呈现艳丽的色彩，提高物品的装饰性能，从而满足市场的不同需求，增加经济效应。表面着色常用的方法包括阳极氧化、电镀、微弧氧化、化学氧化等等。
但是，电镀法对环境污染大，且膜层和基体间结合力比较差，微弧氧化成本比较高，能耗比较大。其余的电镀和化学氧化等方法则存在膜层与基体结合力弱、易脱落等问题。而阳极氧化法是在金属基体表面原位生长氧化膜，膜层和基体间结合力强，同时具备一定的耐磨性及耐蚀性，是一种良好的表面着色方法，特别是在当前高端电子消费品所用的钛合金表面着色及防护方面有着重要的应用前景。
发明内容
为解决现有技术中尚未有一种方法能够实现低成本对钛铌合金进行高效着色的问题，本发明提供了一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法。其首要目的是要实现对钛铌合金表面进行着色的目的，并在此基础上，保证着色膜层与基体之间具有较强的结合力，并进一步通过该着色膜层来增强合金的耐磨性和耐蚀性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法，所述方法包括以下步骤：
1)预处理：对钛铌合金进行表面处理；
2)阳极氧化：以经过表面处理的钛铌合金作为阳极、石墨作为阴极，置于电解液中在恒电压条件下进行阳极氧化，结束后清洗并干燥。
本发明通过间接的阳极氧化处理，并通过控制阳极氧化的参数条件，即能够对钛铌合金表面的氧化膜层的形貌进行调整，生长不同形貌的氧化钛铌纳米管，以此改变氧化膜层所呈现的颜色。相较于其余的方法，本发明方法具有简洁高效、适用于规模化使用等优点。
作为优选，步骤1)所用钛铌合金中含钛量为20～60wt％。
含钛量20～60wt％的钛铌合金是最为常见的钛铌合金，由于钛铌合金是用合金粉末烧结、并用铌片和钛片经真空自耗电弧炉或电子束熔炼数次制备，因此若钛含量过低或过高，则合金中钛铌的均匀性均会较差，在阳极氧化生长氧化钛铌纳米管时会出现部分纯钛纳米管或纯铌纳米管，导致材料表面处理均匀性下降。
作为优选，步骤1)所述表面处理包括去除氧化物、清洗、干燥和抛光。
去除氧化物能够避免原本的氧化物成分对阳极氧化过程造成不利影响，导致氧化钛铌膜层的均匀性等指标下降，起到去除杂质的作用，清洗、干燥和抛光等步骤也同样是如此。
作为优选，所述去除氧化物过程为依次采用100#、280#、400#、600#、800#以及1200#的金相砂纸逐级打磨至钛铌合金表明平整并无明显划痕。
逐级打磨能够保证具有良好的打磨效果，以保证后续制备得到的着色膜层的品质。
作为优选，所述清洗过程为分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10～20min。
丙酮和无水乙醇超声能够有效地去除钛铌合金表面防锈油等有机杂质。
作为优选，所述抛光过程使用的抛光液中含有CrO3 50～75g/L和HF溶液50～100mL/L，抛光温度为40～70℃，抛光时间为5～20min。
该成分的抛光液中，三氧化铬以Cr2O7 2-的形式存在，具有很强的氧化性，能使钛铌合金表面形成钝化氧化膜，而HF溶解氧化膜，也就使表面划痕凸起的部分不断形成钝化氧化膜又不断溶解，可以起到抛光作用，防止金属表面溶解过快或产生过腐蚀。
作为优选，步骤2)所述阳极氧化过程所用电解液组成为含有0.5～2.5wt％氟离子的水溶液或含有0.5～2.5wt％氟离子的乙二醇溶液。
氟离子能够对氧化膜层进行溶解，以免抛光过程中产生的氧化膜层对阳极氧化造成不利的影响，进而导致着色不均或着色层表面平整性差、易脱落等问题发生。
作为优选，步骤2)所述阳极氧化电压为20～60V，阳极氧化温度为25～60℃，阳极氧化时间为0.25～3h。
在以上参数范围内调整阳极氧化的条件，能够制得包括蓝色、绿色、黄色等在内多种颜色的着色膜层，方便可控，并且着色膜层与基体的吸附性强、不易脱落。
本发明的有益效果是：
1)本发明通过阳极氧化的方法在钛铌合金上原位生长成着色膜层，可以提高着色膜层和基体之间的结合力；
2)本发明无需添加化学着色剂，仅通过调节电解液的配比以及施加的电压大小即可改变钛铌合金薄膜的微观结构，从而呈现出一系列艳丽色彩，工艺简单，操作方便；
3)本发明通过阳极氧化工艺获得的钛铌合金薄膜颜色均匀，具有良好的耐腐蚀性能和生物相容性。
附图说明
图1为本发明实施例1所制得的钛铌合金表面着色膜层的SEM图；
图2为本发明实施例2所制得的钛铌合金表面着色膜层的SEM图；
图3为本发明实施例4所制得的钛铌合金表面着色膜层的SEM图。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
以钛含量为20wt％的钛铌合金作为基体，将经打磨的钛铌合金依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，每次清洗时间为10min。再将钛铌合金置于75g/L CrO3、100ml/LHF溶液的抛光液中，抛光温度为40℃，抛光时间为5min。取出用大量去离子水清洗，烘干。在电解槽中，将打磨、抛光和清洗完的钛铌合金作为阳极，石墨电极作为阴极，其中电解液为0.5％HF和0.4mol/L Na2HPO4的水混合溶液，阳极氧化电压为30V，温度为30℃，时间为30min。取出电极，用大量去离子水洗干净，冷风吹干。阳极氧化处理过的钛铌合金表面形成天蓝色着色膜层，对本实施例所制得的着色膜层进行SEM检测，检测结果如图1所示，在微观上则能观察到存在着少量纳米孔洞。
实施例2
以钛含量为60wt％的钛铌合金作为基体，将经打磨的钛铌合金依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，每次清洗时间为20min。再将钛铌合金置于50g/L CrO3、50ml/LHF溶液的抛光液中，抛光温度为70℃，抛光时间为20min。取出用大量去离子水清洗，烘干。在电解槽中，将打磨、抛光和清洗完的钛铌合金作为阳极，石墨电极作为阴极，其中电解液为0.5％HF和0.3mol/L Na2HPO4的水混合溶液，阳极氧化电压为20V，温度为25℃，时间为30min。取出电极，用大量去离子水洗干净，冷风吹干。阳极氧化处理过的钛铌合金表面形成淡绿色着色膜层，对本实施例所制得的着色膜层进行SEM检测，检测结果如图2所示，在微观上则能观察到均匀分布的纳米孔洞。
实施例3
以钛含量为56wt％的钛铌合金作为基体，将经打磨的钛铌合金依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，每次清洗时间为10min。再将钛铌合金置于50g/L CrO3、100ml/LHF溶液的抛光液中，抛光温度为60℃，抛光时间为15min。取出用大量去离子水清洗，烘干。在电解槽中，将打磨、抛光和清洗完的钛铌合金作为阳极，石墨电极作为阴极，其中电解液为0.5％HF和0.2mol/LNa2HPO4的水混合溶液，阳极氧化电压为30V，温度为40℃，时间为30min。取出电极，用大量去离子水洗干净，冷风吹干，可以观察到阳极氧化处理过的钛铌合金表面呈现暗棕色。
实施例4
以钛含量为45wt％的钛铌合金作为基体，将经打磨的钛铌合金依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，每次清洗时间为10min。再将钛铌合金置于50g/LCrO3、100ml/LHF溶液的抛光液中，抛光温度为60℃，抛光时间为15min。取出用大量去离子水清洗，烘干。在电解槽中，将打磨、抛光和清洗完的钛铌合金作为阳极，石墨电极作为阴极，其中电解液为0.5％HF水混合溶液(不加Na2HPO4)，阳极氧化电压为20V，温度为25℃，时间为15min。取出电极，用大量去离子水洗干净，冷风吹干。阳极氧化处理过的钛铌合金表面形成黄棕色着色膜层，对本实施例所制得的着色膜层进行SEM检测，检测结果如图3所示，在微观上则能观察到均匀分布的纳米管。
实施例5
以钛含量为50wt％的钛铌合金作为基体，将经打磨的钛铌合金依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，每次清洗时间为10min。再将钛铌合金置于50g/LCrO3、100ml/LHF溶液的抛光液中，抛光温度为60℃，抛光时间为15min。取出用大量去离子水清洗，烘干。在电解槽中，将打磨、抛光和清洗完的钛铌合金作为阳极，石墨电极作为阴极，其中电解液为2.5％HF和0.1mol/LNa2HPO4的水混合溶液，阳极氧化电压为20V，温度为25℃，时间为30min。取出电极，用大量去离子水洗干净，冷风吹干，可以观察到阳极氧化处理过的钛铌合金表面呈现浅棕黄色。
实施例6
以钛含量为20wt％的钛铌合金作为基体，将经打磨的钛铌合金依次放入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，每次清洗时间为10min。再将钛铌合金置于75g/LCrO3、100ml/LHF溶液的抛光液中，抛光温度为40℃，抛光时间为5min。取出用大量去离子水清洗，烘干。在电解槽中，将打磨、抛光和清洗完的钛铌合金作为阳极，石墨电极作为阴极，其中电解液为0.5％HF和0.4mol/LNa2HPO4的水混合溶液，阳极氧化电压为60V，温度为30℃，时间为30min。取出电极，用大量去离子水洗干净，冷风吹干，可以观察到阳极氧化处理过的钛铌合金表面呈现墨蓝色。
结合实施例及说明书附图可明显看出，钛铌合金能够通过本发明方法简洁高效地制备不同颜色的着色膜层。经大量试验可得出一个大致的着色规律：阳极氧化电压和电解液成分在一定程度上对着色膜层的色温产生影响，阳极氧化温度和时间在一定程度上对着色膜层的颜色深浅产生影响。通过上述规律可方便地在钛铌合金表面制备具有不同色泽的着色膜层，且所制得的着色膜层具有结合强度高、膜层均匀不易脱落等优点。

Claims (8)

1.一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)预处理：对钛铌合金进行表面处理；
2)阳极氧化：以经过表面处理的钛铌合金作为阳极、石墨作为阴极，置于电解液中在恒电压条件下进行阳极氧化，结束后清洗并干燥。
2.根据权利要求1所述的一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法，其特征在于，步骤1)所用钛铌合金中含钛量为20～60wt％。
3.根据权利要求1或2所述的一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法，其特征在于，步骤1)所述表面处理包括去除氧化物、清洗、干燥和抛光。
4.根据权利要求3所述的一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法，其特征在于，所述去除氧化物过程为依次采用100#、280#、400#、600#、800#以及1200#的金相砂纸逐级打磨至钛铌合金表明平整并无明显划痕。
5.根据权利要求3所述的一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法，其特征在于，所述清洗过程为分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10～20min。
6.根据权利要求3所述的一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法，其特征在于，所述抛光过程使用的抛光液中含有CrO3 50～75g/L和HF溶液50～100mL/L，抛光温度为40～70℃，抛光时间为5～20min。
7.根据权利要求1所述的一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法，其特征在于，步骤2)所述阳极氧化过程所用电解液组成为含有0.5～2.5wt％氟离子的水溶液或含有0.5～2.5wt％氟离子的乙二醇溶液。
8.根据权利要求1或7所述的一种钛铌合金表面阳极氧化着色的方法，其特征在于，步骤2)所述阳极氧化电压为20～60V，阳极氧化温度为25～60℃，阳极氧化时间为0.25～3h。
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