CN113564596B

CN113564596B - 一种疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺

Info

Publication number: CN113564596B
Application number: CN202111125663.2A
Authority: CN
Inventors: 王呈刚; 赵书锋; 郭艳平; 赵新颖; 李珊珊; 蔡文宗; 秦向同; 卜建磊
Original assignee: Shandong Yuhang Special Alloy Equipment Co ltd
Current assignee: Shandong Yuhang Special Alloy Equipment Co ltd
Priority date: 2021-09-26
Filing date: 2021-09-26
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2041-09-26
Also published as: CN113564596A

Abstract

本发明涉及铝合金表面处理技术领域，具体涉及一种疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺，包括（1）在铝合金材料的至少一个面上激光雕刻鱼鳞图案，得到鱼鳞表面；（2）使用第一碱液浸泡铝合金材料的鱼鳞表面，用纯水清洗铝合金材料后，再使用第二碱液喷淋铝合金材料的鱼鳞表面，然后用纯水清洗铝合金材料，其中所述第一碱液的浓度<第二碱液的浓度；（3）将铝合金材料浸泡于硬脂酸醇水溶液中，浸泡后纯水清洗并晾干。采用该表面处理工艺加工的铝合金材料经过激光雕刻、分步化学蚀刻和硬脂酸修饰后，疏水、水下疏油效果好，与Cl^‑等腐蚀介质的有效接触降低，可起到改善铝合金材料的耐腐蚀能力的效果。

Description

一种疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺

技术领域

本发明涉及铝合金表面处理技术领域，具体涉及一种疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺。

背景技术

铝合金是指以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金，密度一般在2.6~2.8g/cm左右，属于轻金属材料。铝合金材料除具备铝的一般特性外，还可根据所添加的其他金属元素的种类及数量具备其他特性。现阶段，铝合金材料凭借其密度低、铸造、加工性能好，导电、导热性能优良等优势，在机电、建筑、造船、航空航天、交通运输等各个领域被广泛应用。

通常来说，水接触角大于90°的材料表面具有疏水特性，此时水滴不易润湿材料表面，因此疏水性在自清洁、防雪防雾、防腐抗阻等方面都具有极大的应用前景。电化学沉积是目前研究较多的改善材料表面疏水特性的方法之一，该方法的工艺较为复杂，限制了铝合金疏水表面的应用。在铝合金材料表面制备柔性超疏水涂层是另一种改善表面疏水特性的方法，目前这种柔性超疏水涂层还存在制备困难、均匀度差的问题。

铝合金材料表面疏油对于改善铝合金材料的抗腐蚀性能同样具有较大影响，特别是许多材料在水中会丧失一部分的疏油能力。因此，在水油共存的环境下，例如油水分离技术领域等，使用的铝合金材料必须既具有良好的疏水效果，也要同时具备良好的水下疏油效果。

基于此，有必要提供一种疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺。

发明内容

针对水油共存的环境下铝合金材料的疏油性能差的技术问题，本发明提供一种疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺，采用该表面处理工艺加工的铝合金材料经过激光雕刻、分步化学蚀刻和硬脂酸修饰后，疏水、水下疏油效果好，与Cl^-等腐蚀介质的有效接触降低，可起到改善铝合金材料的耐腐蚀能力的效果。

一种疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺，包括如下步骤：

（1）在铝合金材料的至少一个面上激光雕刻鱼鳞图案，得到鱼鳞表面；

（2）使用第一碱液浸泡铝合金材料的鱼鳞表面，用纯水清洗铝合金材料后，再使用第二碱液喷淋铝合金材料的鱼鳞表面，然后用纯水清洗铝合金材料，其中所述第一碱液的浓度<第二碱液的浓度；

（3）将铝合金材料浸泡于硬脂酸醇水溶液中，浸泡后纯水清洗并晾干。

进一步的，所述铝合金材料的原料可以为Mg：2.30%~2.66%，Cr：0.20%~0.28%，Cu：1.40%~1.75%，Zn：5.1%~5.9%，Fe≤0.30%，Si≤0.20%，Ti≤0.10%，单个杂质元素≤0.05%，杂质总量≤0.15%，余量为铝。该原料获得的铝合金材料为高强度、可热处理铝合金，机械性能和加工性能良好。

进一步的，所述步骤（1）前，首先对铝合金材料进行抛光，抛光后铝合金材料的表面光泽度达到60GU。

进一步的，所述步骤（1）的激光雕刻为利用激光雕刻机在铝合金材料表面雕刻圆形阵列，相邻圆形相互搭接，其中圆形直径为500~2000μm，圆形深度为10~50μm。综合考虑加工成本、设备误差、操作水平及效果等因素，限定圆形直径为500~2000μm、圆形深度为10~50μm；特别是铝合金在水下使用时，控制圆形直径不超过2000μm、圆形深度不超过50μm，可有效降低摩擦阻力。

进一步的，所述步骤（2）的第一碱液为温度30±5℃、浓度60g/L的NaOH溶液，铝合金材料的鱼鳞表面在第一碱液中的浸泡时间为60s。

进一步的，所述步骤（2）的第二碱液为温度70±5℃、浓度200g/L的NaOH溶液，喷淋压力为1.0MPa，喷头孔径为100μm，喷淋时间为15s。

进一步的，所述步骤（3）的硬脂酸醇水溶液的硬脂酸浓度为30mmol/L，乙醇与水的体积比为1：2.5。

进一步的，所述纯水清洗为首先使用电导率为100μS/cm的纯水清洗1次，再使用电导率50μS/cm的纯水清洗1次，每次清洗时间为10s。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺，首先利用激光雕刻技术在铝合金材料的至少一个表面上雕刻鱼鳞图案，鱼鳞的堆叠结构以及激光雕刻时对铝合金材料表面的冲击，能够在一定程度上改善铝合金材料表面的疲劳寿命和抗腐蚀能力，同时，铝合金材料还能够获得一定的疏水和减阻效果；然后对鱼鳞表面进行分步化学蚀刻，先使用相对低浓度的碱液浸泡鱼鳞表面，然后使用相对高浓度的碱液喷淋鱼鳞表面，利用浸泡蚀刻和喷淋蚀刻碱液浓度、处理时间、处理方式所带来的效果差异性，在鱼鳞表面上进一步构建分级粗糙结构，模拟鱼鳞微观结构，提高鱼鳞表面的水下疏油效果；完成鱼鳞结构的构造后，使用硬脂酸醇水溶液对铝合金板表面进行修饰，方法简单易操作，条件温和，改善了铝合金板的疏水效果，并进一步提升了铝合金板的抗腐蚀性能。

经测试，采用本发明方法生产的铝合金板的水接触角可达到152°以上，水下油接触角可达到148°以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是不同流速下铝合金板的减阻率折线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

一种铝合金板，由组分为Mg：2.48%，Cr：0.27%，Cu：1.70%，Zn：5.71%，Fe：0.25%，Si：0.18%，Ti：0.01%，单个杂质元素≤0.05%，杂质总量≤0.15%，余量为铝的原料于630~650℃下熔炼除渣，然后经熔铸挤压得到。

对该铝合金板进行表面处理，具体包括如下步骤：

（1）抛光铝合金板，使铝合金板的表面光泽度达到60GU，然后利用激光雕刻机在铝合金板的一面上雕刻圆形阵列，相邻圆形相互搭接形成鱼鳞图案，圆形直径为2000μm，圆形深度为50μm，获得鱼鳞表面；

刻蚀结束后，首先使用电导率为100μS/cm的纯水清洗铝合金板10s，再使用电导率50μS/cm的纯水清洗铝合金板10s；

（2）铝合金板脱脂后，使用30±5℃、60g/L的NaOH溶液浸泡鱼鳞表面60s，然后使用电导率为100μS/cm的纯水清洗铝合金板10s，再使用电导率50μS/cm的纯水清洗铝合金板10s；

之后使用70±5℃、200g/L的NaOH溶液喷淋鱼鳞表面，喷淋压力为1.0MPa，喷头孔径为100μm，喷淋时间为15s，然后使用电导率为100μS/cm的纯水清洗铝合金板10s，再使用电导率50μS/cm的纯水清洗铝合金板10s；

（3）将铝合金板浸泡于硬脂酸醇水溶液中，硬脂酸醇水溶液的硬脂酸浓度为30mmol/L，乙醇与水的体积比为1：2.5，浸泡12h后，使用电导率为100μS/cm的纯水清洗铝合金板10s，再使用电导率50μS/cm的纯水清洗铝合金板10s，之后自然晾干铝合金板。

实施例2~3

实施例2~3与实施例1基本相同，区别仅在于激光雕刻的鱼鳞图案参数不同，其中实施例2的圆形直径为1000μm，圆形深度为30μm；实施例3的圆形直径为500μm，圆形深度为10μm。

利用阻力测量装置，测定不同流速（0.1、0.5、1m/s）下铝合金板所受的水流阻力，并通过公式减阻率=（F-f）/F计算减阻率，式中F代表未表面处理的铝合金板所受的水流阻力，f表示经步骤（1）或步骤（1）~（3）表面处理后铝合金板鱼鳞表面所受的水流阻力。结果如图1所示，可以看出，实施例1~3的表面处理工艺能够赋予铝合金板一定的减阻效果；在圆形直径500~2000μm、圆形深度10~50μm的范围内，直径越小、深度越浅，减阻效果越好。

实施例4~6

实施例4~6与实施例1基本相同，区别仅在于铝合金板的原料不同。实施例4~6的铝合金板的原料组成如下表1所示。

表1 实施例4~6铝合金板的原料组成（单位：%）

元素	Mg	Cr	Cu	Zn	Fe	Si	Ti	杂质	Al
										实施例4	2.55	0.21	1.60	5.33	0.05	0.20	0.03	≤0.15	余量
实施例5	2.64	0.26	1.73	5.87	0.26	0.18	0.02	≤0.15	余量
										实施例6	2.32	0.22	1.42	5.10	0.14	0.03	0.10	≤0.15	余量

对实施例1、实施例4~6表面处理后的铝合金板的力学性能进行测试，结果如下表2所示。可以看出，该铝合金板的强度高，能够应对使用中的冲击。

表2 实施例1~4铝合金板的力学性能

项目	抗拉强度/MPa	屈服强度/Mpa	延伸率/%
				实施例1	698	681	11.5
实施例2	685	664	11.5
				实施例3	692	673	10.5
实施例4	660	642	11.0

对比例1~3

对比例1~2与实施例1基本相同，区别仅在于步骤（2）不同，其中对比例1仅采用第一碱液蚀刻步骤；对比例2仅采用第二碱液蚀刻步骤。

对比例3与实施例1基本相同，区别仅在于步骤（3）不同，对比例3的铝合金板不浸泡硬脂酸醇水溶液，步骤（2）分步化学蚀刻后直接清洗、晾干即可。

分别测试实施例1、实施例4~6、对比例1~3表面处理后的铝合金板鱼鳞表面的水接触角和水下油接触角，结果如下表3所示，可以看出，本发明实施例1、实施例4~6通过激光雕刻、分步化学蚀刻和硬脂酸修饰后的铝合金材料鱼鳞表面的水接触角达到152°以上，水下油接触角达到148°以上，疏水、水下疏油效果好，具备自清洁的效果，而且这种疏水疏油的性质能削弱Cl^-等腐蚀介质与铝合金材料表面的有效接触，从而抑制腐蚀反应，提升铝合金材料的抗腐蚀性能。对比例1、2疏水、水下疏油效果相对较差，主要归因于表面缺少分级的粗糙结构，对比例3疏水效果下降的原因是铝合金板表面缺少硬脂酸修饰。

表3 铝合金板鱼鳞表面的水接触角和水下油接触角

项目	水接触角/°	水下油接触角/°
			实施例1	153.6	149.2
实施例4	153.0	148.6
			实施例5	152.6	149.0
实施例6	152.4	148.4
			对比例1	117.8	113.5
对比例2	128.9	120.5
			对比例3	105.7	152.7

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：

激光雕刻为利用激光雕刻机在铝合金材料表面雕刻圆形阵列，相邻圆形相互搭接，其中圆形直径为500~2000μm，圆形深度为10~50μm；

第一碱液为温度30±5℃、浓度60g/L的NaOH溶液，铝合金材料的鱼鳞表面在第一碱液中的浸泡时间为60s；

第二碱液为温度70±5℃、浓度200g/L的NaOH溶液，喷淋压力为1.0MPa，喷头孔径为100μm，喷淋时间为15s；

2.如权利要求1所述的疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺，其特征在于，所述铝合金材料的原料为Mg：2.30%~2.66%，Cr：0.20%~0.28%，Cu：1.40%~1.75%，Zn：5.1%~5.9%，Fe≤0.30%，Si≤0.20%，Ti≤0.10%，单个杂质元素≤0.05%，杂质总量≤0.15%，余量为铝。

3.如权利要求1所述的疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺，其特征在于，所述步骤（1）前，首先对铝合金材料进行抛光，抛光后铝合金材料的表面光泽度达到60GU。

4.如权利要求1所述的疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺，其特征在于，所述步骤（3）的硬脂酸醇水溶液的硬脂酸浓度为30mmol/L，乙醇与水的体积比为1：2.5。

5.如权利要求1所述的疏水、水下疏油性能好的铝合金表面处理工艺，其特征在于，所述纯水清洗为首先使用电导率为100μS/cm的纯水清洗1次，再使用电导率50μS/cm的纯水清洗1次，每次清洗时间为10s。