CN111910235A - 铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法 - Google Patents

铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，涉及微弧氧化技术领域，包括以下步骤：S1、在铝合金表面上确定待微弧氧化部位；S2、在待微弧氧化部位周围按预设标准选取加工区域；S3、在加工区域进行整体塑性强化加工；S4、在待微弧氧化部位进行局部微弧氧化加工。本发明具有防止浪费能源、提高微弧氧化过程中工件表面的机械性能以及增强微弧氧化形成的复合层的疲劳强度的优点。

Description

铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法
技术领域
本发明涉及微弧氧化技术领域，具体涉及一种铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法。
背景技术
微弧氧化处理又称为微等离子体表面陶瓷化技术，是一种高电压等离子体辅助的阳极氧化新工艺，是在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，是型材表面的金属与电解质溶液相互作用，从而在铝、镁、钛等阀金属及其合金材料表面微弧放电，在高温、电场等因素的作用下，原位形成稳定的强化陶瓷膜层。与普通阳极氧化技术相比，微弧氧化处理技术工艺简单、易于控制，处理效率高，该技术制成的表面氧化膜结构致密，与基体结合好，具有优良的综合力学性能。微弧氧化技术虽具有上述众多优点，但传统的浸入式微弧氧化的技术劣势也大大限制了它的进一步应用，由于微弧氧化过程弧光放电需要较大的电流和电压，导致单位面积微弧氧化能量消耗大，实现大尺寸工件表面整体微弧氧化处理时耗费巨大能量，同时由于微弧氧化后的金属表面将残余有拉应力，残余拉应力会引起氧化部位微观几何不连续，容易形成疲劳裂纹源和造成应力腐蚀，导致铝合金表面的疲劳可靠性和疲劳寿命降低，抗应力腐蚀能力差，降低疲劳强度和结构承载能力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，对局部的金属表面进行塑性强化处理，增强表面压应力，然后在进行微弧氧化时将抵消部分拉应力，甚至复合处理的基材表面仍会留有压应力，从而制备出的复合层不仅具有高耐腐蚀性能及高耐磨性能，还有效提高了机械性能和疲劳强度，成为对普通材料工件表面的耐腐蚀耐磨性能和再制造技术的一大提升，极大地扩大了微弧氧化技术的应用范围。
一种铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，包括以下步骤：S1、在铝合金表面上确定待微弧氧化部位；S2、在待微弧氧化部位周围按预设标准选取加工区域；S3、在加工区域进行整体塑性强化加工；S4、在待微弧氧化部位进行局部微弧氧化加工。
优选地，S3中整体塑性强化加工的加工方式为碾压处理方式、喷丸处理方式和超声波处理方式其中的一种或多种的组合。通过碾压处理方式、喷丸处理方式和超声波处理方式进行塑性强化加工，让整个加工区域内的机械强度≥35MPa。
优选地，在完成整体塑性强化加工后，使用0.9Mpa-1Mpa高压气体清理加工区域。在塑性强化加工后，会残留一定加工杂质，而在进行微弧氧化加工前，需要将铝合金表面所有杂质清除。
优选地，所述S4包括：S41、配置电解液，将电解液放入电解液槽；S42、在电解液槽内连接有电解液喷头，电解液喷头能够将电解液从电解液槽内持续导出；S43、将待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，将电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接；S44、调整电解液喷头并使其始终正对待微弧氧化部位，调整脉冲电源参数并接通电源，进行维护氧化处理，最终在铝合金表面形成微弧氧化金属陶瓷层。微弧氧化不能在碳钢表面直接成膜，因此需要先在碳钢表面制备一层铝基膜(铝或铝合金膜)，然后再在铝基膜表面利用微弧氧化制备强化陶瓷膜；同时利用喷头喷出电解液，再通过待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，并且电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接，保证电解液能够实现局部维护氧化。
优选地，所述电解液为KOH、H3BO3和Na2SiO3作为混合电解质溶解于蒸馏水中制成的，电解液中KOH的浓度为5.5～6g/L、H3BO3的浓度为13～14g/L、Na2SiO3的浓度为3.5～4g/L。采用KOH、H3BO3和Na2SiO3混合电解质溶于蒸馏水而制成微碱性的电解液，优选的电解液中KOH的浓度为5.8g/L、H3BO3的浓度为13.5g/L、Na2SiO3的浓度为3.8g/L。
优选地，所述脉冲电源的电压在700～800V、控制电解电流密度在32～35A/dm2，并在反应过程中将电解液温度控制在35～45℃。最优选的脉冲电源的电压在750V、控制电解电流密度在33A/dm2，并在反应过程中将电解液温度控制在40℃。
优选地，所述微弧氧化金属陶瓷层厚度在70～100μm之间。一般情况下，微弧氧化形成的金属陶瓷层的厚度在80μm上下。
优选地，所述电解液喷头连接有自动控制装置，自动控制装置上设有调节参数，调节参数包括移动式阴极喷头的初始位置、行进方向以及行进方向上的每次行进距离。通过自动控制装置，可以让喷头能够智能移动，保证局部微弧氧化能够进行移动，从而提高微弧氧化加工在大尺寸工件上进行的实用性和可靠性。
优选地，其特征在于，在完成微弧氧化加工后，将铝合金表面进行清洗，并在清洗后进行干燥处理。对局部微弧氧化后的整个大尺寸工件进行清洗，彻底清洗掉镀层表面残留电解液，然后进行烘干或者风干处理。
优选地，将清洗干燥后的铝合金表面根据预设要求进行打磨抛光处理。在工件清洗后，按照使用需求或者加工需求，需要对铝合金工件表面进行耐腐蚀和耐磨处理。
本发明提供一种铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，由于大型工件上不需要对每一处进行微弧氧化加工处理，只需要在薄弱区域或预设区域进行维护氧化加工，比如焊接缝、应力集中区域或磨损过度区域，因此本申请中对局部区域进行加工，有效避免了能源损耗，整个加工方法通过对局部的金属表面进行塑性强化处理，增强表面压应力，然后再进行局部微弧氧化，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生反应，以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面形成强化复合层，在形成复合层中通过塑性强化产生的压应力抵消部分拉应力，甚至复合处理后形成的复合层下的工件表面仍会留有压应力，其疲劳强度远高于一般的微弧氧化陶瓷层，从而让制备出的复合层不仅具有高耐腐蚀性能及高耐磨性能，还有效提高了机械性能和疲劳强度，成为对普通材料工件表面的耐腐蚀耐磨性能和再制造技术的一大提升，极大地扩大了微弧氧化技术的应用范围。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面表示类似项，因此，一旦某一项被定义，随后不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，包括以下步骤：
S1、在铝合金表面上确定待微弧氧化部位；
S2、在待微弧氧化部位周围按预设标准选取加工区域；
S3、在加工区域进行整体塑性强化加工；
S4、在待微弧氧化部位进行局部微弧氧化加工。
在本实施方式中，需要说明的是，由于大型工件上不需要对每一处进行微弧氧化加工处理，只需要在薄弱区域或预设区域进行维护氧化加工，比如焊接缝、应力集中区域或磨损过度区域，因此本申请中对局部区域进行加工，有效避免了能源损耗，整个加工方法通过对局部的金属表面进行塑性强化处理，增强表面压应力，然后再进行局部微弧氧化，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生反应，以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面形成强化复合层，在形成复合层中通过塑性强化产生的压应力抵消部分拉应力，甚至复合处理后形成的复合层下的工件表面仍会留有压应力，其疲劳强度远高于一般的微弧氧化陶瓷层，从而让制备出的复合层不仅具有高耐腐蚀性能及高耐磨性能，还有效提高了机械性能和疲劳强度，成为对普通材料工件表面的耐腐蚀耐磨性能和再制造技术的一大提升，极大地扩大了微弧氧化技术的应用范围。
具体地，S3中整体塑性强化加工的加工方式为碾压处理方式、喷丸处理方式和超声波处理方式其中的一种或多种的组合。
在本实施方式中，需要说明的是，通过碾压处理方式、喷丸处理方式和超声波处理方式进行塑性强化加工，让整个加工区域内的机械强度≥35MPa。
具体地，在完成整体塑性强化加工后，使用0.9Mpa-1Mpa高压气体清理加工区域。
在本实施方式中，需要说明的是，在塑性强化加工后，会残留一定加工杂质，而在进行微弧氧化加工前，需要将铝合金表面所有杂质清除。
具体地，所述S4包括：
S41、配置电解液，将电解液放入电解液槽；
S42、在电解液槽内连接有电解液喷头，电解液喷头能够将电解液从电解液槽内持续导出；
S43、将待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，将电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接；
S44、调整电解液喷头并使其始终正对待微弧氧化部位，调整脉冲电源参数并接通电源，进行维护氧化处理，最终在铝合金表面形成微弧氧化金属陶瓷层。
在本实施方式中，需要说明的是，微弧氧化不能在碳钢表面直接成膜，因此需要先在碳钢表面制备一层铝基膜(铝或铝合金膜)，然后再在铝基膜表面利用微弧氧化制备强化陶瓷膜；同时通过喷头喷出电解液，通过待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，并且电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接，保证电解液能够实现局部维护氧化，当正向电流通过时，铝合金与水电解产生的氧发生反应，在工件表面形成一薄层非晶态的氧化铝，由于形成的氧化铝不导电，工件表面电阻将增大，需要继续提高电压来击穿已形成的氧化铝膜，才能维持相应的电流密度，促使反应继续进行，随着工件表面氧化铝层的不断增厚，表面电阻不断增大，电压也需要相应不断提高，才能继续击穿氧化铝膜而维持反应。当正向电压达到一定值，在击穿氧化铝膜的瞬间产生火花放电现象，随着电压的持续上升，电火花遍布整个工件表面，火花放电处温度会瞬间达到数千度，工件表层的铝或铝合金与前期形成的非晶态氧化铝薄层在高温下迅速熔化，同时与水电解产生的氧发生剧烈反应共同形成熔融态的氧化铝，在溶液的激冷下熔融态的氧化铝又迅速凝固在工件表面，堵塞放电通道，使放电中断，火花熄灭，随着电火花的熄灭，通过冷却凝固形成晶态的氧化铝陶瓷层覆盖整个工件表面。由于经历了高温烧结，形成的氧化铝陶瓷层与基体呈冶金结合，具有很高的结合强度，在工件表面生成的氧化铝陶瓷层主要包括晶体的α-Al2O3和γ-Al2O3。
具体地，电解液为KOH、H3BO3和Na2SiO3作为混合电解质溶解于蒸馏水中制成的，电解液中KOH的浓度为5.5～6g/L、H3BO3的浓度为13～14g/L、Na2SiO3的浓度为3.5～4g/L。
在本实施方式中，需要说明的是，采用KOH、H3BO3和Na2SiO3混合电解质溶于蒸馏水而制成微碱性的电解液，优选的电解液中KOH的浓度为5.8g/L、H3BO3的浓度为13.5g/L、Na2SiO3的浓度为3.8g/L。
具体地，所述脉冲电源的电压在700～800V、控制电解电流密度在32～35A/dm2，并在反应过程中将电解液温度控制在35～45℃。
在本实施方式中，需要说明的是，最优选的脉冲电源的电压在750V、控制电解电流密度在33A/dm2，并在反应过程中将电解液温度控制在40℃。
具体地，所述微弧氧化金属陶瓷层厚度在70～100μm之间。
在本实施方式中，需要说明的是，一般情况下，微弧氧化形成的金属陶瓷层的厚度在80μm上下。
具体地，所述电解液喷头连接有自动控制装置，自动控制装置上设有调节参数，调节参数包括移动式阴极喷头的初始位置、行进方向以及行进方向上的每次行进距离。
在本实施方式中，需要说明的是，通过自动控制装置，可以让喷头能够智能移动，保证局部微弧氧化能够进行移动，从而提高微弧氧化加工在大尺寸工件上进行的实用性和可靠性。
具体地，其特征在于，在完成微弧氧化加工后，将铝合金表面进行清洗，并在清洗后进行干燥处理。
在本实施方式中，需要说明的是，对局部微弧氧化后的整个大尺寸工件进行清洗，彻底清洗掉镀层表面残留电解液，然后进行烘干或者风干处理。
具体地，将清洗干燥后的铝合金表面根据预设要求进行打磨抛光处理。
在本实施方式中，需要说明的是，在工件清洗后，按照使用需求或者加工需求，需要对铝合金工件表面的微弧氧化部位进行耐腐蚀和耐磨处理。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在铝合金表面上确定待微弧氧化部位；
S2、在待微弧氧化部位周围按预设标准选取加工区域；
S3、在加工区域进行整体塑性强化加工；
S4、在待微弧氧化部位进行局部微弧氧化加工。
2.根据权利要求1所述的铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，其特征在于，所述S3中整体塑性强化加工的加工方式为碾压处理方式、喷丸处理方式和超声波处理方式其中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求2所述的铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，其特征在于，在完成整体塑性强化加工后，使用0.9Mpa-1Mpa高压气体清理加工区域。
4.根据权利要求3所述的铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，其特征在于，所述S4包括：
S41、配置电解液，将电解液放入电解液槽；
S42、在电解液槽内连接有电解液喷头，电解液喷头能够将电解液从电解液槽内持续导出；
S43、将待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，将电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接；
S44、调整电解液喷头并使其始终正对待微弧氧化部位，调整脉冲电源参数并接通电源，进行维护氧化处理，最终在铝合金表面形成微弧氧化金属陶瓷层。
5.根据权利要求4所述的铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，其特征在于，所述电解液为KOH、H3BO3和Na2SiO3作为混合电解质溶解于蒸馏水中制成的，电解液中KOH的浓度为5.5～6g/L、H3BO3的浓度为13～14g/L、Na2SiO3的浓度为3.5～4g/L。
6.根据权利要求4所述的铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，其特征在于，所述脉冲电源的电压在700～800V、控制电解电流密度在32～35A/dm2，并在反应过程中将电解液温度控制在35～45℃。
7.根据权利要求4所述的铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，其特征在于，所述微弧氧化金属陶瓷层厚度在70～100μm之间。
8.根据权利要求4所述的铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，其特征在于，所述电解液喷头连接有自动控制装置，自动控制装置上设有调节参数，调节参数包括移动式阴极喷头的初始位置、行进方向以及行进方向上的每次行进距离。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，其特征在于，在完成微弧氧化加工后，将铝合金表面进行清洗，并在清洗后进行干燥处理。
10.根据权利要求9所述的铝合金表面局部机械强化与微弧氧化的复合加工方法，其特征在于，将清洗干燥后的铝合金表面根据预设要求进行打磨抛光处理。
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