CN111676500A - 一种沉积Al2O3陶瓷层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种沉积Al2O3陶瓷层的方法，该方法通过对阴极微弧沉积预处理技术进行了优化，首次在钼或钽合金表面采用阴极微弧等离子体电解沉积技术制备Al2O3陶瓷层，Al2O3陶瓷在钼或钽合金表面原位生长，用于工作环境在1250℃以上的钼和钽合金制件起到物理隔离作用同时还能提高钼合金工装的耐氧化性，增加钼合金制件使用寿命的效果。该Al2O3陶瓷层具有均匀、致密、稳定性好的优点，进一步扩展了阴极微弧沉积技术的应用范围，同时本发明方法具有工艺简单、操作方便、成本低廉、易于实现、效率高等优点，更适用于生产。

Description

一种沉积Al2O3陶瓷层的方法
技术领域
本发明是一种沉积Al2O3陶瓷层的方法，用于钼、钽及其合金表面的改性，属于耐高温陶瓷层的制备及应用技术。
背景技术
钼(Mo)、钽(Ta)及其合金在高温下具有很强的抗张强度和抗蠕变强度、良好的耐热性，热膨胀系数低，导热率和导电率高等优点，因此成为重要的高温结构材料之一，该类金属合金常用于高温加热元件、辐射屏蔽、特殊热加工装载工装等方面。
航空发动机涡轮叶片基本都选择高温合金材质，该制件采用真空热处理工艺对其组织进行调控，为了保证制件的真空热处理工艺质量往往采用与加热元件相同材质的钼或钽材质的装载工装来装载，但是在进行高温真空热处理条件下(1250℃以上)，需要采用陶瓷材料将涡轮叶片和工装隔开装夹，防止高温条件下的两种金属直接接触出现相互熔融问题。但是由于陶瓷材料脆性大和耐热冲击性较差，使得隔离用陶瓷制件只能在用完一到两次的热处理工艺就要更换，使得热处理成本大大提高。为了解决该问题，采用在钼或钽材质工装上生长一层Al2O3陶瓷层，起到物理隔离作用同时还能提高钼合金工装的耐氧化性，增加使用寿命的效果。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种沉积Al2O3陶瓷层的方法，该方法是在在钼、钽及其合金表面采用阴极微弧等离子体电解沉积Al2O3陶瓷层的方法，其目的是在钼、钽及其合金表面制备Al2O3陶瓷层，通过物理隔离作用防止高温环境下出现不同金属接触发生熔融问题，以及提高钼、钽及其合金的抗氧化能力。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种沉积Al2O3陶瓷层的方法的步骤如下：
步骤一、表面处理：
采用砂纸对钼和钽合金表面进行打磨以去除表面覆盖物，之后对其表面进行细打磨或抛光，使其表面平整，最后进行乙醇超声除油；
步骤二、微弧氧化预处理：
以钼或钽合金作为阴极，不锈钢片作为阳极平行置于乙醇溶液电解液中，利用等离子微弧氧化电源进行微弧氧化处理；
所述乙醇溶液电解液的化学组分及浓度为：Al(NO3)3﹒9H2O 0.4mol/L；
所述微弧氧化处理的工艺参数为：脉冲频率50-100Hz，占空比20-50％，电流密度5-12A/dm2，电压500-800V，温度10-20℃，恒压下反应时间10-30min；
步骤三、后处理：
电解沉积完成后，用离子水冲洗钼或钽合金2-3min，再自然风干。
在一种实施中，步骤一中所述乙醇超声除油是将钼或钽合金入置于装有乙醇中，在超声波下震荡后用去离子水冲洗。
在一种实施中，步骤一中所述砂纸为400#-1500#水磨砂纸。
在一种实施中，所述微弧氧化处理的温度为16℃、反应时间为30min，Al2O3陶瓷涂层平均厚度为96μm。
在一种实施中，所述Al2O3陶瓷涂层表面显微维氏平均硬度为980HV。
在一种实施中，所述微弧氧化处理的温度为14℃、反应时间为25min，Al2O3陶瓷涂层平均厚度为84μm。
在一种实施中，所述Al2O3陶瓷涂层表面显微维氏平均硬度为920HV。
在一种实施中，所述微弧氧化处理的温度为20℃、反应时间为30min，Al2O3陶瓷涂层平均厚度为92μm。
在一种实施中，所述Al2O3陶瓷涂层表面显微维氏平均硬度为880HV。
微弧氧化(MAO)技术是阳极氧化技术的进一步发展，又称微等离子体氧化(MPO)或阳极火花沉积(ASD)或等离子体电解氧化(PEO)或火花放电阳极氧化 (SDAO)，是一种在有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术，利用等离子体化学和电化学原理将基体与陶瓷层进行冶金结合。微弧氧化被认为是产生保护性陶瓷涂层最有效的方法之一，适用于阀金属(即作为阴极时候导电，作为阳极时立即不导电)，包括：镁、铝、钛、锆等金属及其合金，普遍以不锈钢电解池作为阴极，试验金属作为阳极，选择合适的电解液、适当的电压、频率及占空比等电参数.利用弧光放电产生的瞬间高温烧结作用制备出陶瓷膜。
对于其他阀金属特性不明显的金属，采用微弧氧化技术则无法实现表层制备陶瓷层，因此此时出现了阴极微弧等离子体电沉积工艺，该工艺对该技术需对试样进行预处理，制备一层起弧阻挡层，然后利用电火花放电的能量在试样表面制备一层原位生长的陶瓷涂层，该陶瓷层与基体结合良好，沉积速度快，摆脱了阳极等离子电解氧化技术对基体材料的依赖性，涂层成分和厚度可以根据溶液调节控制，操作工艺简单，易于工业化。对该工艺的特点，因此选择钼和钽金属及合金采用该工艺来实现表面陶瓷镀层。
同时查阅相关文献和专利报道得知，对于钼和钽金属及合金在表面镀层往往采用粉末烧结工艺来实现镀层，未发现采用阴极微弧等离子体电沉积在钼和钽金属及合金在表面镀陶瓷层。
本发明技术方案提出的在钼合金以及钽合金表面通过阴极微弧等离子体电解沉积工艺沉积Al2O3陶瓷层具有良好的结合力和稳定性，说明如下：
1、提高钼和钽及其合金抗氧化能力和稳定性的缘由
钼和钽及其合金是重要的高温结构材料之一。但在高温环境下，当存在氧气时(即使在真空环境下也会存在少量的氧气)，钼和钽就发生氧化，并且随着温度的升高，氧化程度加剧，生成的氧化物容易挥发，导致钼和钽的结构疏松，最终导致材料失效，减少了钼和钽作为高温材料的使用寿命。通过在钼和钽及其合金表面镀一层Al2O3陶瓷，则能在一定程度上起到隔绝氧气的作用，从而提高该类金属材料的抗氧化能力以及稳定性，进而增加其在高温环境下的使用寿命。
2、氧化铝镀膜的结合力好的缘由
在钼和钽及其合金表面采用的阴极微弧等离子体电解沉积工艺，通过选择高电压，在表面产生等离子放电现象，使得基体表面的含Al+离子溶液形成Al2O3胶粒，同时由于基体表面局部放电瞬间产生高温造成局部瞬间熔融，给Al2O3胶粒与基体表面熔融的金属相结合造成了良好的条件，之后在电解液环境中以很快的冷却条件下凝固，最终在基体表面形成了结合力很好的Al2O3陶瓷层。
本发明技术方案通过对阴极微弧沉积预处理技术进行了优化，首次在钼或钽合金表面采用阴极微弧等离子体电解沉积技术制备Al2O3陶瓷层，Al2O3陶瓷在钼或钽合金表面原位生长，该Al2O3陶瓷层具有均匀、致密、稳定性好的优点，进一步扩展了阴极微弧沉积技术的应用范围，同时本发明方法具有工艺简单、操作方便、成本低廉、易于实现、效率高等优点，更适用于生产。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步描述：
实施例1：
该种在钼、钽及其合金表面采用阴极微弧等离子体电解方法沉积Al2O3陶瓷层的步骤如下：
(1)材料样品为纯钼，使用400#-1500#水磨砂纸依次对试片进行打磨，除去纯钼表面覆盖物，然后用自来水冲洗2min；
(2)将打磨后的试样片放入装有无水乙醇的烧杯中，在超声波下震荡6min，除去表面附着的油脂，再用去离子水冲洗1.5min，自然风干，待用；
(3)以钼作为阴极，不锈钢片作为阳极平行置于乙醇溶液体系电解液中，利用等离子微弧氧化电源进行微弧氧化处理；所述乙醇溶液电解液组成为：Al (NO3)3﹒9H2O0.4mol/L；微弧氧化工艺参数为：脉冲频率50-100Hz、占空比 20-50％、电流密度5-12A/dm2、电压500-800V、温度16℃、恒压下反应时间 30min，电解沉积完成后，去离子水冲洗3min，自然风干；
(4)由本实施例在纯钼表面制备的Al2O3陶瓷涂层，外观观察呈灰色且比较致密，纯钼表面Al2O3陶瓷涂层平均厚度在96μm，表面显微维氏平均硬度在 980HV。
实施例2：
(1)材料样品为钼镧合金，使用400#-1500#水磨砂纸依次对试片进行打磨，除去钼镧合金表面覆盖物，然后用自来水冲洗2min；
(2)将打磨后的试样片放入装有无水乙醇的烧杯中，在超声波下震荡7min，除去表面附着的油脂，再用去离子水冲洗1.5min，自然风干，待用；
(3)以钼镧合金作为阴极，不锈钢片作为阳极平行置于乙醇溶液体系电解液中，利用等离子微弧氧化电源进行微弧氧化处理；所述乙醇溶液电解液组成为：Al(NO3)3﹒9H2O0.4mol/L；微弧氧化工艺参数为：脉冲频率50-100Hz、占空比20-50％、电流密度5-12A/dm2、电压500-800V、温度14℃、恒压下反应时间25min，电解沉积完成后，去离子水冲洗2.5min，自然风干；
(4)由本实施例在钼镧合金表面制备的Al2O3陶瓷涂层，外观观察呈灰色外观观察呈灰色且比较致密，Al2O3陶瓷涂层厚度在84μm，表面显微维氏硬度在920HV。
实施例3：
(1)材料样品为纯钽，使用400#-1500#水磨砂纸依次对试片进行打磨，除去纯钽表面覆盖物，然后用自来水冲洗2min；
(2)子将打磨后的试样片放入装有无水乙醇的烧杯中，在超声波下震荡 7.5min，除去表面附着的油脂，再用去离子水冲洗2min，自然风干，待用；
(3)以钽作为阴极，不锈钢片作为阳极平行置于乙醇溶液体系电解液中，利用等离子微弧氧化电源进行微弧氧化处理；所述乙醇溶液电解液组成为：Al (NO3)3﹒9H2O 0.4mol/L；微弧氧化工艺参数为：脉冲频率50-100Hz、占空比20-50％、电流密度5-12A/dm2、电压500-800V、温度20℃、恒压下反应时间30min，电解沉积完成后，去离子水冲洗3min，自然风干；
(4)由本实施例在钽表面制备的Al2O3陶瓷涂层，外观观察呈灰色外观观察呈灰色且比较致密，Al2O3陶瓷涂层厚度在92μm，表面显微维氏硬度在 880HV。

Claims (9)

1.一种沉积Al2O3陶瓷层的方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、表面处理：
采用砂纸对钼和钽合金表面进行打磨以去除表面覆盖物，之后对其表面进行细打磨或抛光，使其表面平整，最后进行乙醇超声除油；
步骤二、微弧氧化预处理：
以钼或钽合金作为阴极，不锈钢片作为阳极平行置于乙醇溶液电解液中，利用等离子微弧氧化电源进行微弧氧化处理；
所述乙醇溶液电解液的化学组分及浓度为：Al(NO3)3﹒9H2O 0.4mol/L；
所述微弧氧化处理的工艺参数为：脉冲频率50-100Hz，占空比20-50％，电流密度5-12A/dm2，电压500-800V，温度10-20℃，恒压下反应时间10-30min；
步骤三、后处理：
电解沉积完成后，用离子水冲洗钼或钽合金2-3min，再自然风干。
2.根据权利要求1所述的沉积Al2O3陶瓷层的方法，其特征在于：步骤一中所述乙醇超声除油是将钼或钽合金入置于装有乙醇中，在超声波下震荡后用去离子水冲洗。
3.根据权利要求1所述的沉积Al2O3陶瓷层的方法，其特征在于：步骤一中所述砂纸为400#-1500#水磨砂纸。
4.根据权利要求1所述的沉积Al2O3陶瓷层的方法，其特征在于：所述微弧氧化处理的温度为16℃、反应时间为30min，Al2O3陶瓷涂层平均厚度为96μm。
5.根据权利要求4所述的沉积Al2O3陶瓷层的方法，其特征在于：所述Al2O3陶瓷涂层表面显微维氏平均硬度为980HV。
6.根据权利要求1所述的沉积Al2O3陶瓷层的方法，其特征在于：所述微弧氧化处理的温度为14℃、反应时间为25min，Al2O3陶瓷涂层平均厚度为84μm。
7.根据权利要求6所述的沉积Al2O3陶瓷层的方法，其特征在于：所述Al2O3陶瓷涂层表面显微维氏平均硬度为920HV。
8.根据权利要求1所述的沉积Al2O3陶瓷层的方法，其特征在于：所述微弧氧化处理的温度为20℃、反应时间为30min，Al2O3陶瓷涂层平均厚度为92μm。
9.根据权利要求8所述的沉积Al2O3陶瓷层的方法，其特征在于：所述Al2O3陶瓷涂层表面显微维氏平均硬度为880HV。
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