CN113134709B - 一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法 - Google Patents

一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，首先通过物理或化学方法制备超疏水表面，然后在超疏水表面制备梯度氧化铝防腐涂层，包括以下步骤：对铝合金板进行刻蚀，制备出疏水涂层的微凸起结构；对刻蚀完成的铝合金板绕制成外壳圆管；焊接外壳圆管的对接缝；对焊接好的外壳圆管进行内壁加工；对外壳圆管通过PVD的方式制备梯度氧化铝防腐涂层。本发明的有益效果是：制备的超疏水梯度涂层为致密无微孔结构的氧化铝涂层，隔断了外壳圆管基体与海水的接触，杜绝了声呐外壳被腐蚀；提高了涂层的可靠性，避免了涂层脱落；起到表面疏水作用，降低水对声呐设备航行的阻力，有助于水下航行器减阻和减噪，增加了服役时间。

Description

一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及海洋装备和涂层制备技术领域，具体为一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法。
背景技术
由于电磁波在水中衰减速度很快，所以无法实现在水中的通讯，大气中依赖电磁波的通讯方式在水中也是无法应用；比如水下摄像机只可以实现5米以内的拍摄。然而，声波属于机械振动波，可以在水中实现长距离的传播，尤其是低频声波，传播距离更远。以发射和接收声波为工作原理的声呐设备便成为水下通讯的最主要方式，声呐设备可以探察海底情况并输出直观可视化图像。随着对海洋资源的进一步开发、以及沿海国防局势的迫切需求，作为海下信息采集主要方式的声呐设备需求量急剧增加。
为了减轻声呐设备的成本和重量，一般选择铝合金作为外壳材料。但是在海洋这样恶劣的腐蚀环境中，铝合金会很快被腐蚀掉，一旦壳体出现微小孔洞，整个设备就会进水报废。为了避免进水的发生，需要经常性更换壳体，这大大增加了设备的维护成本。所以，声呐设备壳体在海洋中的防腐处理亟待解决。
目前铝合金在海洋中的防腐处理仍然以阳极氧化为主，中国发明专利CN201810312826.X“铝合金阳极氧化防腐处理方法”、中国发明专利CN201711288609.3“一种耐海洋环境铝合金表面防护层的制备方法 ”中均提到采用阳极氧化的方法制备防腐涂层。但是，采用阳极氧化所制备的涂层属于多孔结构（如图3所示），这些多孔结构会相互连通，海水会通过这些连通的微孔与铝合金基体接触并腐蚀基体。另一方面，采用阳极氧化方法制备涂层需要使用大量的酸，对环境存在不可逆的污染。另外一种铝合金海洋防腐的方法是在铝合金表面涂覆一层涂料，中国发明专利CN201810293113.3“一种海洋防腐复合涂料”提出了一种用于铝合金表面防腐的复合材料，但是这种在铝合金表面涂覆的防腐涂料与基体结合并不牢固，随着时间推移会逐渐脱落。
然而，实际氧化铝的耐海水腐蚀性能的是非常良好的，刘学文等在山东大学学报，2008年10月第38卷，第5期发表的论文“烧结Al2O3陶瓷在海水中的耐腐蚀性能研究”中指出：经海水浸泡一年后，烧结氧化铝陶瓷孔径分布、孔隙率、材料微观结构、材料弯曲强度等参数无明显变化，质量损失率低，未发生腐蚀，进而表面该材料在海水中化学性质稳定，可安全应用于海水环境。之所以通过微弧氧化制备氧化铝防腐涂层效果较差，其主要是因为微孔洞的存在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，首先通过物理或化学方法制备超疏水表面，然后在超疏水表面制备梯度氧化铝防腐涂层，包括以下步骤：
步骤1，对铝合金板进行物理或化学刻蚀，在其表面制备出疏水涂层的微凸起结构；
步骤2，对刻蚀完成的铝合金板进行卷曲，并绕制成所需要的外壳圆管；
步骤3，焊接绕制成的外壳圆管的对接缝；
步骤4，对焊接好的外壳圆管进行内壁加工，加工至设定尺寸；
步骤5，将加工好的外壳圆管放入磁控溅射设备中，通过PVD（物理气相沉积）的方式制备梯度氧化铝防腐涂层，完成超疏水梯度涂层的制备。
进一步优选，所述步骤1中刻蚀方法包含模板法、激光加工刻蚀法。
进一步优选，所述步骤2中铝合金板的卷曲采用卷管机制成，且铝合金板的刻蚀面包裹有大于2毫米厚度的橡胶皮。
进一步优选，所述步骤3中外壳圆管的焊接采用氩弧焊接的方式对焊接缝进行焊接。
进一步优选，所述步骤5中PVD的方式采用真空镀膜机完成，且选用射频电源。
进一步优选，所述步骤5中PVD的方式选用纯铝靶作为阴极。
进一步优选，所述步骤5中采用PVD的方式制备防腐涂层时的腔室温度为200-400℃。
进一步优选，所述步骤5中超疏水梯度涂层的涂层内含氧量自内向外递增。
进一步优选，所述步骤5中PVD的方式包含如下步骤：
1）将外壳圆管竖直放入镀膜腔室中，打开真空泵机组对腔室抽真空，同时对腔室加热；
2）当温度达到设定值且真空度小于8×10-4Pa时，关闭节流阀，通入1.0-2.0Pa氩气，接通电源起弧镀膜；
3）在镀膜的同时向腔室中通入氧气，且减少氩气通入量，并保持腔室压强不变，经过2-3小时调整，使氧气与氩气流量比达到3:1-4:1；
4）镀膜时间达到6-10小时后，关闭电源和气源，温度降到小于100℃，打开腔室取出外壳圆管。
进一步优选，所述镀膜的电压为负电压，且施加在外壳圆管上。
有益效果：本发明的用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，制备的超疏水梯度涂层为致密无微孔结构的氧化铝涂层，彻底隔断了外壳圆管基体与海水的接触，杜绝了声呐外壳被腐蚀的发生；缓冲了由于铝合金基体与氧化铝涂层热膨胀系数不同而引起的应力，实现涂层与基体的冶金结合，大大提高了涂层的可靠性，避免了涂层脱落；这些微凸起结构可起到表面疏水作用，且在镀膜过程中仍然可以保留下来，大大降低了水对声呐设备航行的阻力，有助于水下航行器减阻和减噪，增加了服役时间。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的铝合金板表面的疏水涂层微凸起结构示意图；
图2为本发明实施例所公开的荷叶表面的微细凸起结构示意图；
图3为本发明实施例所公开的采用阳极氧化所制备的涂层的多孔结构。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，首先通过物理或化学方法制备超疏水表面，然后在超疏水表面制备梯度氧化铝防腐涂层，包括以下步骤：
步骤1，对铝合金板进行物理刻蚀，将带有微凸起结构的模板与待用的铝合金板重叠，放置于液压机平台上，施加500吨压力，在铝合金板表面制备出疏水涂层的微凸起结构；
步骤2，对刻蚀有微凸起结构的铝合金板在卷管机上进行卷曲，并绕制成所需要的外壳圆管毛坯，绕制时防止微凸起结构被破坏，在铝合金板的带有微凸起结构的侧面垫有3毫米橡胶皮；
步骤3，采用氩弧焊焊接绕制成的外壳圆管的对接缝；
步骤4，对焊接好的外壳圆管进行内壁加工，加工至设定尺寸；
步骤5，将加工好的外壳圆管放入磁控溅射设备中，通过PVD（物理气相沉积）的方式制备梯度氧化铝防腐涂层，其步骤如下：
1）将外壳圆管竖直放入镀膜腔室中，打开真空泵机组对腔室抽真空，同时对腔室加热至300℃；
2）当温度达到设定值且真空度达到6×10-4Pa时，关闭节流阀，通入1.5Pa氩气，接通电源起弧镀膜；
3）在镀膜的同时向腔室中通入氧气，且减少氩气通入量，并保持腔室压强不变，经过2小时调整，使氧气与氩气流量比达到3:1；
4）镀膜时间达到8小时后，关闭电源和气源，温度降到小于100℃，打开腔室取出外壳圆管，完成超疏水梯度涂层的制备。
本实施中，将已完成超疏水梯度涂层制备的声呐外壳在海水中连续使用200小时，声呐外壳无海水腐蚀痕迹。
实施例二
一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，首先通过物理或化学方法制备超疏水表面，然后在超疏水表面制备梯度氧化铝防腐涂层，包括以下步骤：
步骤1，对铝合金板进行激光刻蚀，在铝合金板表面制备出疏水涂层的微凸起结构；
步骤2，对刻蚀有微凸起结构的铝合金板在卷管机上进行卷曲，并绕制成所需要的外壳圆管毛坯，绕制时防止微凸起结构被破坏，在铝合金板的带有微凸起结构的侧面垫有3毫米橡胶皮；
步骤3，采用氩弧焊焊接绕制成的外壳圆管的对接缝；
步骤4，对焊接好的外壳圆管进行内壁加工，加工至设定尺寸；
步骤5，将加工好的外壳圆管放入磁控溅射设备中，通过PVD（物理气相沉积）的方式制备梯度氧化铝防腐涂层，其步骤如下：
1）将外壳圆管竖直放入镀膜腔室中，打开真空泵机组对腔室抽真空，同时对腔室加热至200℃；
2）当温度达到设定值且真空度达到7×10-4Pa时，关闭节流阀，通入1.2Pa氩气，接通电源起弧镀膜；
3）在镀膜的同时向腔室中通入氧气，且减少氩气通入量，并保持腔室压强不变，经过3小时调整，使氧气与氩气流量比达到4:1；
4）镀膜时间达到10小时后，关闭电源和气源，温度降到小于100℃，打开腔室取出外壳圆管，完成超疏水梯度涂层的制备。
本实施中，制备的超疏水涂层的微凸起结构如图1所示，将已完成超疏水梯度涂层制备的声呐外壳在海水中连续使用250小时，声呐外壳无海水腐蚀痕迹。
优选的，所述步骤5中PVD的方式采用真空镀膜机完成，且选用射频电源。
优选的，所述步骤5中PVD的方式选用纯铝靶作为阴极。
本申请中，制备的超疏水梯度涂层为致密无微孔结构的氧化铝涂层，彻底隔断了外壳圆管基体与海水的接触，杜绝了声呐外壳被腐蚀的发生；涂层自内向外氧含量逐渐增加，这种梯度涂层作为铝合金基体与外层氧化铝涂层的中间过渡层，缓冲了由于铝合金基体与氧化铝涂层热膨胀系数不同而引起的应力，这种应力达到一定程度会导致涂层剥落；涂层制备的过程中腔室温度保持在200-400℃之间，同时在被镀壳体加上高的负电压，可实现涂层与基体的冶金结合，大大提高了涂层的可靠性；铝合金板表面的微凸起结构，这些微凸起结构可起到表面疏水作用；而且这些微凸起结构在镀膜过程中仍然可以保留下来，这种疏水的微凸起结构会大大降低了水对声呐设备航行的阻力。
本申请中，铝合金板表面的微凸起结构使涂层具有超疏水性能，这种仿生学的设计理念是来源于荷叶表面的结构，如图2所示，为荷叶表面的微细凸起结构，正是这种微细的表面凸起结构导致荷叶表面无法存留水滴，起到了疏水效果，这种疏水结构有助于水下航行器减阻和减噪。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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，均应包含在本发明性的保护范围之内的发明内容。

Claims (6)

1.一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，其特征在于，首先通过物理或化学方法制备超疏水表面，然后在超疏水表面制备梯度氧化铝防腐涂层，包括以下步骤：
步骤1，对铝合金板进行物理或化学刻蚀，在其表面制备出疏水涂层的微凸起结构；
步骤2，对刻蚀完成的铝合金板进行卷曲，并绕制成所需要的外壳圆管，铝合金板的卷曲采用卷管机制成，且铝合金板的刻蚀面包裹有大于2毫米厚度的橡胶皮；
步骤3，焊接绕制成的外壳圆管的对接缝；
步骤4，对焊接好的外壳圆管进行内壁加工，加工至设定尺寸；
步骤5，将加工好的外壳圆管放入磁控溅射设备中，通过PVD(物理气相沉积)的方式制备梯度氧化铝防腐涂层，完成超疏水梯度涂层的制备，超疏水梯度涂层的涂层内含氧量自内向外递增；
所述步骤1中刻蚀方法包含模板法、激光加工刻蚀法；
所述步骤5中PVD的方式包含如下步骤：
1)将外壳圆管竖直放入镀膜腔室中，打开真空泵机组对腔室抽真空，同时对腔室加热；
2)当温度达到设定值且真空度小于8×10-4Pa时，关闭节流阀，通入1.0-2.0Pa氩气，接通电源起弧镀膜；
3)在镀膜的同时向腔室中通入氧气，且减少氩气通入量，并保持腔室压强不变，经过2-3小时调整，使氧气与氩气流量比达到3：1-4：1；
4)镀膜时间达到6-10小时后，关闭电源和气源，温度降到小于100℃，打开腔室取出外壳圆管。
2.根据权利要求1所述的一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤3中外壳圆管的焊接采用氩弧焊接的方式对焊接缝进行焊接。
3.根据权利要求1所述的一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤5中PVD的方式采用真空镀膜机完成，且选用射频电源。
4.根据权利要求1所述的一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤5中PVD的方式选用纯铝靶作为阴极。
5.根据权利要求1所述的一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤5中采用PVD的方式制备防腐涂层时的腔室温度为200-400℃。
6.根据权利要求1所述的一种用于海下声呐外壳防腐的超疏水梯度涂层的制备方法，其特征在于：所述镀膜的电压为负电压，且施加在外壳圆管上。
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