铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层的制备方法

文档序号:5286151阅读:257来源:国知局
专利名称:铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层的制备方法
技术领域
本发明属于材料表面涂层涂敷技术领域,涉及一种铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层的制备方法。
背景技术
作为密度小、质量轻的有色金属,铝、镁合金及其复合材料近年来已广泛为汽车、 航空燃气发动机、军用发动机装备等诸多零部件所采用,为产品的轻量化发展提供了方向。 但由于铝、镁合金自身的高温强度和蠕变性能都较低,限制了铝、镁合金及其复合材料在高温(150 350°C )场合的应用,致使其很难满足高温、高压、高腐蚀介质等的复杂工况。为此,本领域通常是采用在材料表面进行热障涂层处理来降低材料表面热负荷,进而提高构件整体的耐高温性和抗烧蚀性。热障涂层对进一步提高合金材料的使用温度发挥着重要的作用,可以提高使用温度100 150°C。现有技术中,热障涂层工艺技术主要有热喷涂、电子束物理气相沉积(EB-PVD)等技术。热喷涂技术不受基体材料的限制,操作工艺灵活方便,涂层厚度可控,但喷涂的陶瓷层与铝基体的结合力差,高温下运转后陶瓷易龟裂剥离。EB-PVD法制备的热障涂层组织结构具有良好的应变承受能力,从而大大提高了涂层的抗热疲劳的性能,但是,EB-PVD的沉积速率较低,设备造价昂贵,受元素蒸汽压影响,涂层的成分控制较困难,基体零件需要加热, 试样尺寸不能太大,这些都在很大程度上限制了该方法的工业化推广。虽然应用硬质阳极氧化、离子电镀、化学或物理气相沉积TiN(或CrN)涂层技术可以在一定程度上提高其表面性能,但是在面对高速和高接触应力下的服役条件时仍显不足,同时还会带来一定的环境问题。此外,利用陶瓷层的隔热及降低应力集中的作用,在发动机构件表面喷涂一层牢固的隔热陶瓷也是本领域常见的一种选择,但喷涂的陶瓷层由于与铝基体之间存在一层明显的分界面,热膨胀系数差别较大,不耐热冲击,在热循环中易脱落。

发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决,进而提供一种操作简单、涂层成分易于控制、产品耐高温和抗烧蚀性能好、适于工业化应用的铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层的制备方法。用于完成上述发明目的的制备方法是一种可以提高铝、镁合金及其复合材料表面隔热、耐热性能的等离子电解氧化-电泳复合处理工艺,其技术方案的实现在于先通过硅酸盐和磷酸盐体系等离子体电解液使铝、镁合金及其复合材料表面电解氧化成膜介质,再在等离子电解氧化膜基础上以电泳沉积电解液的电泳沉积,制得铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层。本发明的技术解决方案中,等离子体电解液按物质重量与总体积比的配方为硅酸盐1 50g/L,磷酸盐1 40g/L,其余为去离子水,其中等离子体电解液中的硅酸盐、磷酸盐均为其钠盐或钾盐;电泳沉积电解液为&(0H)2胶体电解液,每升^(OH)2胶体电解液由锆酸盐1 50g/L与碱液1 20g/L以及去离子水反应形成,其中用于反应生成& (OH)2 胶体电解液的锆酸盐为其钠盐或钾盐,碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。本发明的实现还在于,所述的铝、镁合金或其复合材料表面热障涂层的制备方法包括如下的制备工艺步骤1)在去离子水中先加入pH调节剂调节pH值为8 12,然后按配制比例加入硅酸盐和磷酸盐,制得等离子体电解液;2)在另部分去离子水中先加入pH调节剂调节pH值为3 7,然后按配制比例加入锆酸盐和碱液,制得电泳沉积电解液;3)以铝、镁合金及其复合材料为阳极,不锈钢为阴极,在配好的等离子体电解液中,采用脉冲电源,在恒定电流密度2 30A/dm2,频率为50 2000HZ,占空比为5 50%, 阴阳极板间距离为5 30cm的条件下进行等离子体电解氧化,维持电解液温度10 50°C, 处理时间为2 90min,使铝、镁合金及其复合材料表面电解氧化成膜介质;4)以经过等离子体电解氧化后的铝、镁合金及其复合材料为阳极,不锈钢为阴极, 在配好的电泳沉积电解液中,采用脉冲电源,在恒定电流密度5 20A/dm2,频率为50 500HZ,占空比为5 30%,阴阳极板间距离为5 30cm的条件下进行电泳沉积,维持电解液温度50 90°C,处理时间为2 90min,制得铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层。本发明实施方案中,采用等离子电解氧化(Plasma Electrolytic Oxidation,英文缩写ΡΕ0)技术能够克服铝、镁合金构件表面喷涂隔热陶瓷层与铝基体之间热膨胀系数差别较大、不耐热冲击且在热循环中易脱落的缺点,可在铝、镁合金表面制备结合良好的陶瓷涂层,从而达到优异隔热效果。该方法形成的陶瓷层由于高硬度、高耐蚀、与基体结合力强、耐高温氧化、绝缘性好,特别适用于高速运动且需要高耐磨、抗高温冲击的轻金属合金零部件。另外,该方法的另一优点在于其清洁无污染,属于环保型表面处理工艺。传统的PEO工艺只能在基体表面得到与基体成份相同的单一陶瓷氧化膜,如铝、 镁合金经等离子电解氧化后形成的Al2O3和MgO陶瓷膜,但单一的陶瓷膜层还并不能有效的达到隔热效果。为了能得到隔热温度良好的热障涂层,本发明采用等离子电解氧化-电泳复合处理技术,制备出含^O2的复相陶瓷膜。ZrO2因其具有的熔点较高、导电率低、抗氧化、 耐腐蚀、组织热稳定性好、机械强度较高等诸多优点而成为热障涂层中最优良的陶瓷材料, 而且^O2热膨胀系数也与金属的热膨胀系数最为接近,所以^O2是热障涂层的首选材料。与现有技术相比,本发明具有以下优点1、本发明采用的等离子电解氧化、电泳沉积电解液不含对人体和环境有害的有毒性阳离子(Cr6+等),溶液成分简单,易于控制,不含易分解成分,工艺稳定;2、采用本发明制得的膜层表面光滑、厚度可控且致密少孔、结合牢固、硬度高、隔热耐热温度高、抗热震性能良好,经实验检测,膜层厚度为10 150 μ m,结合强度为10 40MPa,表面硬度为400 1000HV,隔热温度30 80°C,在300°C温热震500次无裂纹;3、本发明的原料易得、价格低廉、恒流氧化、操作简单,适于工业化生产。
具体实施例方式以下将结合实施例对本发明做进一步说明。实施例一
等离子体电解液为硅酸盐与磷酸盐体系,在去离子水中先加入pH调节剂调节pH 值为9 10,然后加入硅酸钠和磷酸钠,按重量与总体积比,取硅酸钠10g/L,磷酸钠15g/L, 制得等离子体电解液。将合金试样置于电解液中,连接电源正极,不锈钢连接电源负极,采用恒电流法控制微弧氧化过程,电流密度为3A/dm2,氧化时间lOmin。从实验现象看,反应平稳。起弧电压为183V,终止电压为270V。随氧化时间延长,火花从亮白色转为橘黄色,实验过程中发出极微弱的爆鸣声。氧化后试样表面均勻生成一层浅灰白色的光滑致密的等离子电解氧化陶瓷层,从其微观SEM表面形貌图可看出表面有较大孔洞,与基体结合较好。电泳沉积电解液为& (OH)2胶体电解液,在去离子水中先加入pH调节剂调节pH值为5 6,然后加入锆酸钠和氢氧化钠,按重量与总体积比,取锆酸钠15g/L,氢氧化钠15g/L,制得电泳沉积电解液。将经过等离子体电解氧化后的合金试样置于电泳沉积电解液中,连接电源正极,不锈钢连接电源负极,在恒定电流密度ΙΟΑ/dm2,频率为200HZ,占空比为20%,阴阳极板间距离为20cm的条件下进行电泳沉积,维持电解液温度70°C,处理时间为lOmin,制得铝、 镁合金及其复合材料表面热障涂层,由等离子电解氧化-电泳沉积复合膜层表面和截面扫描电镜形貌图可以看出,膜层表面致密少孔,并与基体结合完好。实施例二等离子体电解液为硅酸盐与磷酸盐体系,按重量与总体积比,取硅酸钾20g/L,磷酸钾15g/L,电流密度为5A/dm2,氧化时间20min。起弧电压为145V,终止电压为^5V,其余操作同前例。由于电解质浓度大,氧化时间较长,从涂层截面的SEM形貌图看,生成的膜层较前例厚但粗糙度增加。电泳沉积电解液为&(0H)2胶体电解液,按重量与总体积比,取锆酸钾15g/L,氢氧化钾15g/L,电流密度8A/dm2,,处理时间为15min,其余操作同前例。由等离子电解氧化-电泳沉积复合膜层表面和截面扫描电镜形貌图可以看出,膜层表面致密少孔,并与基体结合完好。实施例三等离子电解氧化电解液为硅酸盐与磷酸盐体系,按重量与总体积比,取硅酸钠 20g/L,磷酸钠15g/L,电流密度为3A/dm2,氧化时间2min,pH值控制在8 12,起弧电压为 175V,终止电压为192V,其余操作同实施例一。电泳沉积电解液由锆酸钠20g/L与氢氧化钠 20g/L反应形成,沉积电流密度8A/dm2,电泳时间30min。pH值控制在3 7,其余操作同实施例一。实施例四等离子电解氧化电解液为硅酸盐与磷酸盐复合体系,按重量与总体积比,取硅酸盐20g/L,磷酸盐15g/L,电流密度为5A/dm2,氧化时间5min,pH值控制在8 12,起弧电压为175V,终止电压为203V。电泳沉积电解液由锆酸盐30g/L与碱液30g/L反应形成,沉积电流密度ΙΟΑ/dm2,电泳时间30min。pH值控制在3 7。除上述外的其余操作均同实施例
ο实施例五等离子电解氧化电解液为硅酸盐与磷酸盐复合体系,按重量与总体积比,取硅酸盐20g/L,磷酸盐25g/L,电流密度为5A/dm2,氧化时间3min,pH值控制在8 12,起弧电压为135V,终止电压为172V。电泳沉积电解液由锆酸盐15g/L与碱液15g/L反应形成。沉积电流密度10A/dm2,电泳时间30min,pH值控制在3 7。除上述外的其余操作均同实施例一。
权利要求
1.一种铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层的制备方法,其特征在于先通过硅酸盐和磷酸盐体系等离子体电解液使铝、镁合金及其复合材料表面电解氧化成膜介质,再在等离子电解氧化膜基础上以电泳沉积电解液的电泳沉积,制得铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层。
2.根据权利要求1所述的铝、镁合金或其复合材料表面热障涂层的制备方法,其特征在于等离子体电解液按物质重量与总体积比的配方为硅酸盐1 50g/L,磷酸盐1 40g/ L,其余为去离子水。
3.根据权利要求2所述的铝、镁合金或其复合材料表面热障涂层的制备方法,其特征在于等离子体电解液中的硅酸盐、磷酸盐均为其钠盐或钾盐。
4.根据权利要求1所述的铝、镁合金或其复合材料表面热障涂层的制备方法,其特征在于电泳沉积电解液为& (OH)2胶体电解液,每升& (OH)2胶体电解液由锆酸盐1 50g/L 与碱液1 20g/L以及去离子水反应形成。
5.根据权利要求4所述的铝、镁合金或其复合材料表面热障涂层的制备方法,其特征在于用于反应生成& (OH)2胶体电解液的锆酸盐为其钠盐或钾盐,碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
6.根据权利要求1、2或4所述的铝、镁合金或其复合材料表面热障涂层的制备方法,其特征在于包括如下的制备工艺步骤1)在去离子水中先加入PH调节剂调节pH值为8 12,然后按配制比例加入硅酸盐和磷酸盐,制得等离子体电解液;2)在另部分去离子水中先加入pH调节剂调节pH值为3 7,然后按配制比例加入锆酸盐和碱液,制得电泳沉积电解液;3)以铝、镁合金及其复合材料为阳极,不锈钢为阴极,在配好的等离子体电解液中,采用脉冲电源,在恒定电流密度2 30A/dm2,频率为50 2000HZ,占空比为5 50%,阴阳极板间距离为5 30cm的条件下进行等离子体电解氧化,维持电解液温度10 50°C,处理时间为2 90min,使铝、镁合金及其复合材料表面电解氧化成膜介质;4)以经过等离子体电解氧化后的铝、镁合金及其复合材料为阳极,不锈钢为阴极,在配好的电泳沉积电解液中,采用脉冲电源,在恒定电流密度5 20A/dm2,频率为50 500HZ, 占空比为5 30%,阴阳极板间距离为5 30cm的条件下进行电泳沉积,维持电解液温度 50 90°C,处理时间为2 90min,制得铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层。
全文摘要
本发明提供了一种铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层的制备方法,其特征是先通过硅酸盐和磷酸盐体系等离子体电解液使铝、镁合金及其复合材料表面电解氧化成膜介质,再在等离子电解氧化膜基础上以电泳沉积电解液的电泳沉积,制得铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层。利用本发明获得的等离子体电解氧化-电泳复合陶瓷层表面光滑、结合牢固、厚度可控且致密少孔、隔热及抗热震性能良好,适用于各种尺寸和复杂形状表面的工作部件。
文档编号C25D11/30GK102277606SQ20101019623
公开日2011年12月14日 申请日期2010年6月9日 优先权日2010年6月9日
发明者李建平, 李艳, 杨忠, 王萍, 郭永春 申请人:西安康博新材料科技有限公司
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