CN110904488B - 一种微弧氧化方法及采用此方法所得钛合金结构件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微弧氧化方法，通过对工件进行分段微弧氧化，结合相邻两段待氧化区域的交接处设置保护装置，效果是：采用分段形式氧化，将处理面积的能力提高到4m²以上(将电源设备的微弧氧化能力提高一倍以上)，能够批量处理大型钛合金结构件或表面复杂钛合金结构件，极大提高工作效率；氧化过程中在电解液‑工件‑空气三界面处设置保护装置，确保工件不发生烧蚀，确保产品质量；通过分段微弧氧化、微弧氧化过程中的参数选择及设置保护装置三者相结合，既能够确保产品的质量，又能够实现工业化生产，实用性强。本发明还公开了一种钛合金结构件，采用上述微弧氧化方法加工得到，产品质量得到保障且能够批量工业化生产。

Description

一种微弧氧化方法及采用此方法所得钛合金结构件

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种微弧氧化方法及采用此方法所得钛合金结构件。

背景技术

微弧氧化技术又称等离子体增强的电化学表面陶瓷化技术或阳极火花沉积技术。微弧氧化技术是在Al、Mg、Ti等轻金属的表面用等离子体化学和电化学原理生长一层类似陶瓷性质的氧化膜的技术。该氧化膜与基体金属结合牢固，可大大改善了Al、Mg、Ti等轻金属的耐磨性、耐蚀性和耐热冲击性，在航空、航天、海洋工程、机械、电子和装饰等工业领域有着广泛的应用前景。

尽管微弧氧化具备众多优点，但迄今为止，无论国内还是国外，都没有进入大规模的工业应用阶段。究其根本原因，还是由于大型零部件(单件表而积超过4m²)的均质微弧氧化问题没有解决，这已经成为制约微弧氧化发展的重大瓶颈。尽快突破这一关键技术，满足国民经济和国防装备的需求已成为当务之急。

现阶段对大型结构和复杂零部件的微弧氧化工艺的研究不成熟，在实际工作中只能采取多次微弧氧化处理，其结果是表面产生印痕，膜层厚薄不均，局部易产生烧蚀等缺陷，同时也缺乏深入研究的力学性能研究，因此，在整体大壁板结构上还未实现工程应用。也有部分研究显示适用于大型零部件加工，如下：

申请号为200710026563.8的中国专利，公开了一种用于大体积或大面积工件表面的微弧氧化处理方法及装置。此方法能对规则工件大面积进行微弧氧化处理，如大面积板材、规则弧形件等。其不足之处是：首先，在生产使用中，需要对阴极装置与阳极工件做组装，用粘结剂把阴极装置粘结固定在工件待处理区域，这种操作方式，导致生产效率低，且不容易连续化生产；其次，由于把阴极电极粘接在阳极工件上，在复杂工件表面无法实现；最后，由于工件在微弧氧化过程中会产生大量的热，致使电解液在短时间内迅速升温，甚至使电解液沸腾，而微弧氧化处理的溶液温度不能超过50℃，否则工件的氧化膜被击穿，发生“烧蚀”现象，失去表面改性功能。

申请号为201910036341.7的发明申请，公开了一种基于扫描阴极的大尺寸钛合金结构微弧氧化及验证方法。此方法不仅可对规则大面积工件进行微弧氧化处理，还可以对表面复杂钛合金构件进行微弧氧化处理。其不足之处是：阳极工件整体放入装有电解液的电解槽中，通过小于工件面积的扫描式阴极装置使阳极工件发生“环绕式”微弧氧化，将一次处理面积的能力提高到4m²以上，但是在这种处理方式下，实质上仍然是整个工件处于电场作用下发生微弧氧化，虽然通过减少阴极面积增强局部区域的电场强度来实现大面积工件的微弧氧化处理，但是增加处理面积的能力有限；工件进入微弧氧化阶段之前还要经历阳极氧化阶段，在此过程中阴极一直是处于移动状态，不利于成膜的质量及其均匀性。

因此，开发一种适用于大型大型零部件的微弧氧化方法具有重要意义。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种操作方便、适用于大型大型零部件的微弧氧化方法，具体技术方案如下：

一种微弧氧化方法，其特征在于，该微弧氧化方法包括以下步骤：

步骤一、将待氧化的钛合金结构件分成M段待氧化区域，M取大于等于2的自然数(可取M大于等于2小于等于20)；

步骤二、将第N段待氧化区域和第N+1段待氧化区域的交接处设置保护装置进行保护，N取大于等于1且小于等于总段数M的自然数；或者是，将相邻两段待氧化区域的交接处同时设置保护装置进行保护；

步骤三、将待氧化的钛合金结构件的第N段待氧化区域置于电解液中进行微弧氧化处理；

步骤四、拆除已氧化区域和待氧化区域之间所设置的保护装置；取N＝N+1，若N小于等于M，则返回步骤二或步骤三；否则，进入下一步；

步骤五、得到微弧氧化钛合金结构件。

以上技术方案中优选的，钛合金结构件的氧化面积大于等于4平方米；所述保护装置设置在电解液-工件-空气三界面处。

以上技术方案中优选的，所述步骤三中的电解液成分如下：硅酸钠20-100g/L，多聚磷酸钠10-50g/L，柠檬酸三钠1-20g/L，碳酸钠1-25g/L，去离子水余量，电解液pH值为7-14。

以上技术方案中优选的，所述步骤三中的电解液成分如下：硅酸钠40-80g/L，多聚磷酸钠20-40g/L，柠檬酸三钠5-15g/L，碳酸钠5-15g/L，去离子水余量，电解液pH值为9-13。

以上技术方案中优选的，所述步骤三中的电解液成分如下：硅酸钠50-60g/L，多聚磷酸钠25-35g/L，柠檬酸三钠5-12g/L，碳酸钠10-12g/L，去离子水余量，电解液pH值为10-13。

以上技术方案中优选的，所述步骤三中采用正恒流、负恒压的模式进行微弧氧化处理；正向电流设定为50-300A，频率设定为500-1200Hz，占空比设定为5-50％，氧化电压设定为不高于600V，微弧氧化时间为3-40min。

以上技术方案中优选的，所述步骤三中采用正恒流、负恒压的模式进行微弧氧化处理；正向电流设定为80-200A，频率设定为600-900Hz，占空比设定为10-28％，氧化电压设定为不高于500V，微弧氧化时间为8-30min。

以上技术方案中优选的，所述步骤三中：正向电流设定为150-180A，频率设定为800-900Hz，占空比设定为15-20％，氧化电压设定为不高于450V，微弧氧化时间为15-20min。

以上技术方案中优选的，所述保护装置为涂覆层，所述涂覆层具有耐高温烧蚀、易清除及与工件易粘接的特性，优选所述涂覆层的材质为高分子材料或陶瓷胶体；进一步优选所述涂覆层的材质为酚醛树脂、聚氨酯及二氧化硅中的一种；

所述保护装置还包括设置在涂覆层外的蒙皮，所述蒙皮具有耐高温且能防止涂覆层脱落的特点；所述蒙皮的材质为金属或非金属材质，优选所述蒙皮为钛板材。

应用本发明的微弧氧化方法，通过对工件(待氧化的钛合金结构件)进行分段微弧氧化，结合相邻两段待氧化区域的交接处设置保护装置。采用分段形式氧化，能最大限度地利用了现有设备能力，将处理面积的能力提高到4m²以上(将电源设备的微弧氧化能力提高一倍以上)，能够批量处理大型钛合金结构件或表面复杂钛合金结构件，极大提高工作效率；氧化过程中在电解液-工件-空气三界面处设置保护装置，确保工件不发生烧蚀，确保产品质量；通过分段微弧氧化、微弧氧化过程中的参数选择及设置保护装置三者相结合，既能够确保产品的质量，又能够实现大型钛合金结构件或表面复杂钛合金结构件的微弧氧化进入工业生产阶段，实用性强。

本发明还公开一种钛合金结构件，其采用上述微弧氧化方法进行加工，钛合金结构件能够批量进行处理，且产品质量能得到有效保障。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明微弧氧化方法的流程图；

图2是实施例1中钛合金结构件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种钛合金结构件，参见图2，此钛合金结构件为钛合金环，其规格为：外径2000mm，内径1500mm，最大高度250mm，表面积6.4平方米左右。

本实施例的钛合金环采用如图1的微弧氧化方法进行加工处理，该微弧氧化方法具体包含以下步骤：

步骤一、将待氧化的钛合金结构件分成包含第一段待氧化区域和第二段待氧化区域的两段待氧化区域，即上半待氧化区域和下半待氧化区域；

步骤二、将第一段待氧化区域和第二段待氧化区域的交接处设置保护装置进行保护，具体是：本实施例中保护装置为涂覆层和蒙皮，涂覆层的材质为二氧化硅陶瓷胶体，蒙皮采用钛板材；先将涂覆层涂覆在第一段待氧化区域和第二段待氧化区域的交界处(涂覆层的宽度具体根据实际需求确定，如可优选宽度为20-50mm，且涂覆层沿水平方向的中心轴线和第一段待氧化区域与第二段待氧化区域的交界线重叠设置)，再将蒙皮紧密贴合在涂覆层上；

步骤三、将待氧化的钛合金结构件的第一段待氧化区域置于电解液中进行微弧氧化处理，具体是：

步骤3.1、阳极装备准备：阳极电缆采用钛或镁制夹具进行夹装，确保夹具接触良好，并保证阳极电缆均匀分布在处于电解液中的钛合金环的一侧上；

步骤3.2、制备电解液：

电解液成分如下：硅酸钠50g/L，多聚磷酸钠25g/L，柠檬酸三钠5g/L，碳酸钠10g/L，去离子水余量，电解液pH值为13；

步骤3.3、设定电参数：采用正恒流、负恒压的模式进行微弧氧化处理，正向电流设定为300A，频率设定为1000Hz，占空比设定为30％，氧化电压设定为600V，微弧氧化时间为35min；

步骤3.4、吊装及氧化反应：采用行车对钛合金环进行吊挂，吊绳应确保与吊装设备绝缘；将钛合金环的第一段待氧化区域放入电解液中进行微弧氧化反应；

步骤四、拆除保护装置；取N＝N+1，返回步骤3.4；

步骤五、对氧化后的钛合金结构件进行表面清洗(采用现有技术中的清洗剂进行清洗，参见现有技术)，得到微弧氧化钛合金结构件。

应用本实施例的微弧氧化方法，可采用现有的电解装置，无需扩大或改进装置；氧化过程中仅将钛合金环的一部分处于电解液中，因此可尽可能地减少电解槽的容积，从而减少电解液的用量，节省能源，减少成本(可将原有电源设备的微弧氧化能力提高一倍以上)。

本实施例所得微弧氧化钛合金结构件表面未被氧化，且能够批量工业化生产。

实施例2：

实施例2与实施例1不同之处在于：

电解液成分如下：硅酸钠70g/L，多聚磷酸钠38g/L，柠檬酸三钠15g/L，碳酸钠15g/L，去离子水余量，电解液pH值为9；

正向电流设定为180A，频率设定为800Hz，占空比设定为20％，氧化电压设定为450V，微弧氧化时间为20min。

本实施例所得微弧氧化钛合金结构件表面未被氧化，且能够批量工业化生产。

实施例3：

实施例3与实施例1不同之处在于：

电解液成分如下：硅酸钠100g/L，多聚磷酸钠50g/L，柠檬酸三钠20g/L，碳酸钠25g/L，去离子水余量，电解液pH值为14；

正向电流设定为200A，频率设定为900Hz，占空比设定为28％，氧化电压设定为500V，微弧氧化时间为30min。

本实施例所得微弧氧化钛合金结构件表面未被氧化，且能够批量工业化生产。

实施例4：

实施例4与实施例1不同之处在于：

将待氧化的钛合金结构件分成三段待氧化区域，即上部待氧化区域、中部待氧化区域和下部待氧化区域；

如图1，将下部待氧化区域和中部待氧化区域的交接处以及中部待氧化区域和上部待氧化区域的交接处和第二段待氧化区域的交接处均在微弧氧化反应前全部设置保护装置进行保护。或者是先将下部待氧化区域和中部待氧化区域的交接处设置保护装置进行保护，将下部待氧化区域进行微弧氧化；拆除下部待氧化区域和中部待氧化区域的交接处所设置的保护装置；再将中部待氧化区域和上部待氧化区域的交接处设置保护装置进行保护，对中部待氧化区域进行微弧氧化；拆除下部待氧化区域和中部待氧化区域的交接处所设置的保护装置；最后对上部待氧化区域进行氧化。

本实施例所得微弧氧化钛合金结构件的性能与实施例1相似，表面未被氧化，且能够批量工业化生产。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微弧氧化方法，其特征在于，该微弧氧化方法包括以下步骤：

步骤一、将待氧化的钛合金结构件分成M段待氧化区域，M取大于等于2的自然数；

步骤二、将第N段待氧化区域和第N+1段待氧化区域的交接处设置保护装置进行保护，N取大于等于1且小于等于总段数M的自然数；或者是，将相邻两段待氧化区域的交接处同时设置保护装置进行保护，所述保护装置设置在电解液-工件-空气三界面处；

步骤三、将待氧化的钛合金结构件的第N段待氧化区域置于电解液中进行微弧氧化处理；

步骤四、拆除已氧化区域和待氧化区域之间所设置的保护装置；取N=N+1，若N小于等于M，则返回步骤二或步骤三；否则，进入下一步；

步骤五、得到微弧氧化钛合金结构件；

所述保护装置包括涂覆层和蒙皮，所述蒙皮设置在涂覆层外。

2.根据权利要求1所述的微弧氧化方法，其特征在于，钛合金结构件的氧化面积大于等于4平方米。

3.根据权利要求1所述的微弧氧化方法，其特征在于，所述步骤三中的电解液成分如下：硅酸钠20-100g/L，多聚磷酸钠10-50g/L，柠檬酸三钠1-20g/L，碳酸钠1-25g/L，去离子水余量，电解液pH值为7-14。

4.根据权利要求3所述的微弧氧化方法，其特征在于，所述步骤三中的电解液成分如下：硅酸钠40-80g/L，多聚磷酸钠20-40g/L，柠檬酸三钠5-15g/L，碳酸钠5-15g/L，去离子水余量，电解液pH值为9-13。

5.根据权利要求4所述的微弧氧化方法，其特征在于，所述步骤三中的电解液成分如下：硅酸钠50-60g/L，多聚磷酸钠25-35g/L，柠檬酸三钠5-12g/L，碳酸钠10-12g/L，去离子水余量，电解液pH值为10-13。

6.根据权利要求1所述的微弧氧化方法，其特征在于，所述步骤三中采用正恒流、负恒压的模式进行微弧氧化处理；正向电流设定为50-300A，频率设定为500-1200Hz，占空比设定为5-50%，氧化电压设定为不高于600V，微弧氧化时间为3-40min。

7.根据权利要求6所述的微弧氧化方法，其特征在于，所述步骤三中采用正恒流、负恒压的模式进行微弧氧化处理；正向电流设定为80-200A，频率设定为600-900Hz，占空比设定为10-28%，氧化电压设定为不高于500V，微弧氧化时间为8-30min。

8.根据权利要求7所述的微弧氧化方法，其特征在于，所述步骤三中：正向电流设定为150-180A，频率设定为800-900Hz，占空比设定为15-20%，氧化电压设定为不高于450V，微弧氧化时间为15-20min。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的微弧氧化方法，其特征在于，所述涂覆层的材质为酚醛树脂、聚氨酯及二氧化硅中的一种；所述蒙皮为钛板材。

10.一种钛合金结构件，其特征在于，采用如权利要求1-9任意一项所述的微弧氧化方法进行加工。

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