CN115896891A - 一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺 - Google Patents

一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，包括以下步骤：对7系铝合金工件的表面进行超声清洗；对7系铝合金工件的表面进行激光清洗；对7系铝合金工件的表面进行微弧氧化处理；对7系铝合金工件的表面进行微弧氧化的膜层效果检查。本发明对7系铝合金工件进行微弧氧化工艺处理，能够有效提高7系铝合金工件的耐蚀性能，避免腐蚀引起的各种问题。

Description

一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺
技术领域
本发明属于金属表面处理的技术领域，特别是一种7系铝合金表面的微弧氧化工艺。
背景技术
7系铝合金为超高强材料，由其加工的铝合金零部件在航空、航天及核工业中均有广泛应用，在使用过程中其零部件处于较高的应力状态和各种腐蚀环境下。由于使用条件及性能要求苛刻，为避免腐蚀作用对铝合金材料的性能产生影响，需要进行表面改性处理提高其耐蚀性。
微弧氧化又称阳极火花沉积、等离子体氧化、微等离子体氧化，是由传统阳极氧化技术发展而来，广泛用于铝及铝合金表面的一种新兴的表面改性技术。由于微弧氧化操作简单，成本低廉，并且制备的膜层具有硬度高、耐腐蚀性较强、与基体结合力强等特点。通过微弧氧化技术，铝合金在电解液中通过高压放电作用，在其表面生成一层与基体以冶金方式结合的氧化铝为主的陶瓷层，陶瓷层的高硬度及高稳定性可以满足铝合金改善耐蚀耐磨等不同的性能要求。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：7系铝合金的使用条件及性能要求比较苛刻，零部件处于腐蚀环境下时，会对铝合金材料的性能产生影响。
解决上述技术问题的意义在于：提高7系铝合金的耐蚀性，避免铝合金零部件在使用过程中的腐蚀环境对7系铝合金的性能产生影响，进而影响零部件的寿命和长期可靠性。
发明内容
根据上述提出的问题，本发明提出了一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺。
本发明的技术方案是：
一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，包括以下步骤：
S101：对7系铝合金工件的表面进行超声清洗；
S102：对7系铝合金工件的表面进行激光清洗；
S103：对7系铝合金工件的表面进行微弧氧化处理；
S104：对7系铝合金工件的表面进行微弧氧化的膜层效果检查。
优选的，所述步骤S101中，将7系铝合金工件完全浸没在去离子水中，使用超声波清洗器进行清洗，实现工件的粗洗，去除工件表面油污残留。
进一步优选的，所述步骤S101中，超声波清洗器进行清洗的时间为5～10分钟。
优选的，所述步骤S102中，还包括以下步骤：
S401：使用旋转夹具装夹7系铝合金工件；
S402：调整旋转夹具的转速；
S403：调整光纤激光清洗器上激光器的参数，使7系铝合金工件匀速经过光纤激光清洗器上清洗头的轴向中心；
S404：激光器发出激光光束，经过光纤传输进入清洗头，从激光照射发射口沿待清洗的的径向入射到7系铝合金工件的外表面，对表面污物进行激光清洗。
优选的，所述步骤S103中，还包括以下步骤：
S501：配置微弧氧化溶液；
S502：将7系铝合金工件浸没在微弧氧化溶液中进行微弧氧化；
S503：开启冷却装置和搅拌装置；
S504：取出7系铝合金工件，完全浸没在去离子水中，使用超声波清洗器进行清洗，去除7系铝合金工件表面残留的电解液；
S505：清洗后取出7系铝合金工件用压缩空气吹干。
进一步优选的，所述步骤S501中，微弧氧化溶液包括溶质和溶剂；
溶质由以下浓度的成分组成：主成膜剂Na2SiO3；导电剂NaOH；添加剂Na2EDTA；溶剂为去离子水。
进一步优选的，溶质中主成膜剂Na2SiO3浓度为8～12g/L；导电剂NaOH浓度为1～4g/L；添加剂Na2EDTA浓度为0.3～2g/L。
进一步优选的，其特征在于：所述步骤S502中，微弧氧化的氧化电流密度为10～30A/dm2，温度20～30℃，氧化时间10～30min，频率1500～3000Hz。
进一步优选的，所述步骤S504中，超声波清洗器进行清洗的时间为10～15分钟。
优选的，所述步骤S104中，微弧氧化的膜层效果检查包括目视检查和显微观察。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
(1)微弧氧化工艺能够有效提高铝合金的耐蚀性能，避免腐蚀引起的各种问题。
(2)本发明在表面清洗处理、微弧氧化及膜层效果检查方面操作简便，易于实施，符合环保排放标准，成本低廉，在铝合金表面的防腐处理中具有较高的应用价值。
(3)本发明针对微弧氧化处理前的表面清洁中采用了超声清洗和激光清洗的方法，通过两种清洗过程，能够去除表面附着的较难去除的杂质，包括前序的加工处理过程中表面油污及附着牢固的氧化物等杂质，为微弧氧化过程的顺利实施，显著提高膜层的均匀性、附着力等性能。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明中激光清洗工艺流程示意图；
图2为本发明中激光清洗工件外表面的工作示意图。
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图1-2具体说明本发明。
实施例1：
一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，包括以下步骤：
S101：对7系铝合金工件的表面进行超声清洗；
S102：对7系铝合金工件的表面进行激光清洗；
S103：对7系铝合金工件的表面进行微弧氧化处理；
S104：对7系铝合金工件的表面进行微弧氧化的膜层效果检查。
工作原理：
7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺主要由四个主要的部分组成：铝合金工件表面的超声清洗，铝合金工件表面的激光清洗，铝合金工件表面的微弧氧化，铝合金工件的微弧氧化膜层效果检查。
7系铝合金工件在加工过程中，表面会残留大量切削冷却液等油污和铝合金切削碎屑，这时往往需要进行人工的初步清洗，但是这个过程往往无法全部洗净，这时需要使用超声清洗来完成。
超声清洗一般使用超声波清洗机来实现，对于手工不能完全有效清洗的工件，它具有显著的清洗效果，它可以克服工件形状复杂的问题，只要将其放在清洗液内，超声清洗可以实现完全无死角清洗，彻底清除复杂工件藏角死角处的污渍，对形状和结构复杂的工件尤为适用。
由上述可知，超声清洗适合用于工件的粗洗，去除工件表面油污和杂质残留，但对于进一步的清洗工件表面的工作，例如除漆、除锈、去胶层等，清洗吸附在工件表面的微粒子等，往往难以达到效果，这时就可以使用激光清洗，它可以在不损伤材料表面的情况下选择性清洗污物。另外，由于激光清洗可以实现对工件的无接触清洗，对一些精密的工件清洗则具备安全性，不会毁损工件的精度。激光清洗还可以通过光纤传输，通过机器手操作实现远距离操作，清洗一些较危险的地方，确保人员的安全。
微弧氧化处理工艺广泛用于铝合金，通过微弧氧化处理后，其在铝合金工件表面形成的膜层具有硬度高、耐腐蚀性较强、与基体结合力强等特点。其主要是铝合金在电解液中通过高压放电作用，在表面生成一层氧化铝为主的陶瓷层，陶瓷层的高硬度及高稳定性则可以满足铝合金改善耐蚀耐磨的性能要求。
对铝合金工件微弧氧化处理后，要检查表面微弧氧化膜层的效果，主要包括外观形貌检验和显微观察检验。
外观形貌检验应在天然散射光线或无反射光的白色透射光下进行目视检查，必要时可用3～5倍放大镜观察，表面应颜色均匀，没有明显色差和烧蚀点。显微观察则主要通过高景深光学显微镜进行表面形貌和截面厚度的检查，确定膜层的表面形貌和厚度。
进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S101中，将7系铝合金工件完全浸没在去离子水中，使用超声波清洗器进行清洗，实现工件的粗洗，去除工件表面油污残留。选择去离子水简单易得，成本低廉，避免了溶质在零部件表面的残留。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S101中，超声波清洗器进行清洗的时间为5～10分钟。
进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S102中，还包括以下步骤：
S401：使用旋转夹具装夹7系铝合金工件；
S402：调整旋转夹具的转速；
S403：调整光纤激光清洗器上激光器的参数，使7系铝合金工件匀速经过光纤激光清洗器上清洗头的轴向中心；
S404：激光器发出激光光束，经过光纤传输进入清洗头，从激光照射发射口沿待清洗的的径向入射到7系铝合金工件的外表面，对表面污物进行激光清洗。
本实施例中，旋转夹具组件包括底板、步进电机、传动皮带、支架、夹具等，旋转夹具的主要作用是保证在激光清洗过程中，7系铝合金工件能以设定转速匀速旋转，同时也保证操作人员安全。
7系铝合金工件表面的激光清洗，在本实施例中，采用激光器类型为Nd:YAG光纤激光器，其出光方式为脉冲方式，激光波长为1064nm，脉冲频率：10KHz。清洗前调节激光器功率150～250W，振镜频率80～90Hz，光斑直径0.3～0.7mm，清洗线速度20～40mm/s，清洗次数1～3次。
进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S103中，还包括以下步骤：
S501：配置微弧氧化溶液；
S502：将7系铝合金工件浸没在微弧氧化溶液中进行微弧氧化；
S503：开启冷却装置和搅拌装置；
S504：取出7系铝合金工件，完全浸没在去离子水中，使用超声波清洗器进行清洗，去除7系铝合金工件表面残留的电解液；
S505：清洗后取出7系铝合金工件用压缩空气吹干。
本实施例中，微弧氧化过程中开启冷却装置和搅拌装置，防止微弧氧化过程中溶液温度过高，导致7系铝合金工件表面烧蚀。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S501中，微弧氧化溶液包括溶质和溶剂；
溶质由以下浓度的成分组成：主成膜剂Na2SiO3；导电剂NaOH；添加剂Na2EDTA；溶剂为去离子水。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，溶质中主成膜剂Na2SiO3浓度为8～12g/L；导电剂NaOH浓度为1～4g/L；添加剂Na2EDTA浓度为0.3～2g/L。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，其特征在于：所述步骤S502中，微弧氧化的氧化电流密度为10～30A/dm2，温度20～30℃，氧化时间10～30min，频率1500～3000Hz。
更进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S504中，超声波清洗器进行清洗的时间为10～15分钟。
进一步的，还可以在实施例中考虑，所述步骤S104中，微弧氧化的膜层效果检查包括目视检查和显微观察。
外观形貌检验应在天然散射光线或无反射光的白色透射光下进行目视检查，必要时可用3～5倍放大镜观察，表面应颜色均匀，没有明显色差和烧蚀点。显微观察则主要通过高景深光学显微镜进行表面形貌和截面厚度的检查，确定膜层的表面形貌和厚度。
应用例1：
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本应用例中，7系铝合金是7A60铝合金，其强度硬度高，耐热性好，耐蚀性差，因此针对该特性设计了微弧氧化工艺。
将7系铝合金零部件完全浸没在去离子水中，并放入超声波清洗器中，开启超声清洗器清洗8分钟，清洗后取出零部件用热风机吹干表面水渍。
将7系铝合金零部件安装在激光清洗机的旋转夹具上，使零部件保持30mm/s速度匀速旋转。开启波长1064nm的Nd:YAG光纤脉冲激光器，调节激光功率为200W，振镜频率为80Hz，光斑直径0.4mm，聚焦清洗铝合金零部件表面2次。
配制微弧氧化溶液，在去离子水中分别加入9g/L的Na2SiO3，3g/L的NaOH，及2g/L的Na2EDTA溶质，使其均匀溶解。将7系铝合金工件连接电源并浸没在微弧氧化溶液中，开启电源调节电流密度至20A/dm2，频率1800Hz。微弧氧化过程中同步开启冷却和搅拌装置控制溶液温度为25℃，氧化时间为15min。取出工件浸没在去离子水中超声清洗8分钟去除表面的微弧氧化溶液，清洗完后用热风机吹干工件表面水渍。
微弧氧化效果检查主要是目视检查和显微观察，目视检查应在天然散射光线或无反射光的白色透射光下进行，必要时使用放大镜进行观察，确认表面颜色均匀，无明显色差、烧蚀点及杂质点。采用高景深光学显微镜进行表面形貌和截面厚度的检查，观察表面形貌是否致密，测量膜层截面厚度及其均匀性。
微弧氧化后，7系铝合金表面形成了致密度较高的Al2O3陶瓷膜层，与金属基体相比，膜层的腐蚀电位正移，腐蚀电流减小约2—3个数量级。
综上所述，本发明提供了一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其针对7系铝合金工件进行超声清洗及激光清洗处理，为微弧氧化的处理提供了洁净的外表面，为微弧氧化的处理提供了良好的基础，提高了处理后膜层的质量。通过7系铝合金的微弧氧化处理在外表面生成一层高耐蚀、高耐磨、高硬度等综合性能优良的膜层，同时膜层厚度可随使用要求进行控制。
本方法是一种环保型的表面处理方法，微弧氧化溶液呈弱碱性，易于处理，对环境影响小，微弧氧化前后的清洗过程无污染物排放。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S101：对7系铝合金工件的表面进行超声清洗；
S102：对7系铝合金工件的表面进行激光清洗；
S103：对7系铝合金工件的表面进行微弧氧化处理；
S104：对7系铝合金工件的表面进行微弧氧化的膜层效果检查。
2.根据权利要求1所述的一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其特征在于：所述步骤S101中，将7系铝合金工件完全浸没在去离子水中，使用超声波清洗器进行清洗，实现工件的粗洗，去除工件表面油污残留。
3.根据权利要求2所述的一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其特征在于：所述步骤S101中，超声波清洗器进行清洗的时间为5～10分钟。
4.根据权利要求1所述的一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其特征在于：所述步骤S102中，还包括以下步骤：
S401：使用旋转夹具装夹7系铝合金工件；
S402：调整旋转夹具的转速；
S403：调整光纤激光清洗器上激光器的参数，使7系铝合金工件匀速经过光纤激光清洗器上清洗头的轴向中心；
S404：激光器发出激光光束，经过光纤传输进入清洗头，从激光照射发射口沿待清洗的的径向入射到7系铝合金工件的外表面，对表面污物进行激光清洗。
5.根据权利要求1所述的一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其特征在于：所述步骤S103中，还包括以下步骤：
S501：配置微弧氧化溶液；
S502：将7系铝合金工件浸没在微弧氧化溶液中进行微弧氧化；
S503：开启冷却装置和搅拌装置；
S504：取出7系铝合金工件，完全浸没在去离子水中，使用超声波清洗器进行清洗，去除7系铝合金工件表面残留的电解液；
S505：清洗后取出7系铝合金工件用压缩空气吹干。
6.根据权利要求5所述的一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其特征在于：所述步骤S501中，微弧氧化溶液包括溶质和溶剂；
溶质由以下浓度的成分组成：主成膜剂Na2SiO3；导电剂NaOH；添加剂Na2EDTA；溶剂为去离子水。
7.根据权利要求6所述的一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其特征在于：溶质中主成膜剂Na2SiO3浓度为8～12g/L；导电剂NaOH浓度为1～4g/L；添加剂Na2EDTA浓度为0.3～2g/L。
8.根据权利要求5所述的一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其特征在于：所述步骤S502中，微弧氧化的氧化电流密度为10～
30A/dm2，温度20～30℃，氧化时间10～30min，频率1500～3000Hz。
9.根据权利要求5所述的一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其特征在于：所述步骤S504中，超声波清洗器进行清洗的时间为10～15分钟。
10.根据权利要求1所述的一种7系铝合金工件表面的微弧氧化处理工艺，其特征在于：所述步骤S104中，微弧氧化的膜层效果检查包括目视检查和显微观察。
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