本实用新型整体涉及阳极氧化系统和方法。在具体实施方案中，描述了用于减缓阳极氧化物涂层的层裂或脱层的系统和方法。
背景技术：
阳极氧化是一种在金属衬底上提供阳极氧化物层或涂层的方法，其通常用于工业中以向金属部件提供保护性(有时为外观上吸引人的)涂层。在阳极氧化工艺中，金属衬底的一部分转变为金属氧化物，从而形成阳极氧化物层或涂层。阳极涂层的性质可取决于多个因素，包括金属衬底的化学成分和在阳极氧化工艺中使用的工艺参数。在一些应用中，通过在阳极氧化物内注入一种或多种染料来将阳极氧化物着色，赋予金属衬底有吸引力的着色表面涂层。
遗憾的是，在使用某些金属合金衬底的一些情况下，当阳极氧化物涂层在部件的正常使用期间受到刮擦或刮损力时，该阳极氧化物涂层可从它们的金属衬底剥离、碎裂或以其他方式脱层。这种脱层可使得下面的金属衬底在碎裂或剥离区域处暴露。如果该阳极氧化物涂层是经过染色的，则通常为明亮金属色的暴露的下面的金属衬底可非常明显，当该阳极氧化物涂层被染成深色时尤其明显。
技术实现要素：
本文描述了与阳极氧化工艺和使用阳极氧化工艺的阳极氧化物涂层相关的各种实施方案。所描述的系统和方法用于形成阳极氧化物涂层，该阳极氧化物涂层耐受由于碎裂或层裂导致的脱层。
根据一个实施方案，描述了在衬底上形成阳极氧化物涂层的方法。该衬底包含至少一种合金剂。该方法包括通过在第一电解质中阳极氧化衬底来形成装饰性阳极氧化物层。该方法还包括通过在与第一电解质不同的第二电解质中阳极氧化衬底，以在装饰性阳极氧化物层和衬底之间形成促进粘附的阳极氧化物层。第二电解质的特征在于具有防止衬底中的至少一种合金剂在促进粘附的阳极氧化物层和衬底之间的界面处转化成脱层化合物的化学成分。该脱层化合物与降低阳极氧化物涂层和衬底之间的粘合强度相关联。
根据另一个实施方案，描述了一种部件。该部件包括由包含锌的铝合金制成的衬底。该部件进一步包括设置在衬底上的阳极氧化物涂层。该阳极氧化物涂层包括装饰性阳极氧化物层，该装饰性阳极氧化物层具有与部件的外表面对应的暴露表面。该阳极氧化物涂层还包括促进粘附的阳极氧化物层，该层位于装饰性阳极氧化物层和衬底之间并粘附到衬底。该促进粘附的阳极氧化物层基本上不含硫和含硫物质。
根据另外的实施方案，描述了在衬底上形成阳极氧化物涂层的方法。该阳极氧化物涂层包括装饰性阳极氧化物层和促进粘附的阳极氧化物层。该方法包括在硫酸电解质中将衬底的第一部分转换为装饰性阳极氧化物层。该方法进一步包括在草酸电解质中将衬底的第二部分转换为促进粘附的阳极氧化物层，使得该促进粘附的阳极氧化物层定位于装饰性阳极氧化物层和衬底之间。该促进粘附的阳极氧化物层粘附到衬底。
根据另一个实施方案，描述了在衬底上形成具有预定颜色的阳极氧化物涂层的方法。该阳极氧化物涂层包括基本上无色的装饰性阳极氧化物层和控制颜色的阳极氧化物层。该方法包括在第一电解质中将衬底的第一部分转换为基本上无色的装饰性阳极氧化物层。该方法进一步包括在与第一电解质不同的第二电解质中将衬底的第二部分转换为控制颜色的阳极氧化物层。第二电解质包括赋予控制颜色的阳极氧化物层颜色的有机酸。选择控制颜色的氧化物层的厚度，以赋予阳极氧化物涂层预定颜色。
根据另一个实施方案，描述了避免阳极氧化物涂层从含锌的铝衬底脱层的方法。该方法包括通过在基本上不含硫或基本上不含含硫物质的电解质中阳极氧化铝衬底，以形成与铝衬底相邻的促进粘附的阳极氧化物层，从而使得促进粘附的阳极氧化物层包含少于约3重量％的硫或含硫物质。
下文将详细描述这些实施方案和其他实施方案。
附图说明
通过下文结合附图的详细描述将易于理解本公开，其中类似的附图标号指示类似的结构元件，其中：
图1示出了根据所述实施方案的设备的透视图，该设备具有可使用阳极氧化物涂层保护的金属表面。
图2示出了部件表面的剖视图，该部件具有由阳极氧化物涂层的脱层导致的可见碎裂。
图3A和图3B示出了根据所述实施方案的部件表面的剖视图，该部件正在经历用于形成耐脱层阳极氧化物涂层的阳极氧化工艺。
图3C示出了暴露于冲击事件之后的图3A和图3B中所示部件的剖视图。
图4示出了指示b*颜色对立维度值和用于形成阳极氧化物涂层的相对阳极氧化暴露时间之间关系的图。
图5A和图5B示出了根据所述实施方案的剖视图，这些剖视图示出了具有两种不同孔结构的两种不同部件的多层阳极氧化物涂层。
图6A和图6B示出了根据所述实施方案的多个部件的多个部分的剖视图，这些部件带有多层阳极涂层，并具有不同的几何形状。
图7示出了根据所述实施方案的指示形成多层阳极氧化物涂层的工艺的流程图。
图8示出了根据所述实施方案的具有促进粘附的阳极氧化物层的部件表面的剖视图。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述并非旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求限定的所述实施方案的实质和范围内的替代形式、修改形式和等同形式。
本文描述了减缓在由可阳极氧化材料(诸如，铝及其合金)制成的主体上形成的阳极氧化物涂层的边缘碎裂或脱层的方法。该方法包括至少两个连续的阳极氧化操作，该阳极氧化操作具有产生多孔氧化物的性质。在具体的实施方案中，最终的阳极氧化操作在包含有机酸作为主要酸的电解质中执行。这在阳极氧化物涂层和铝衬底之间提供牢固的粘附性。根据一些实施方案，最终涂层厚度的至少三分之一在无机电解质(诸如，硫酸或磷酸电解质)中形成，以使得所得氧化物膜的变色降到最低。在一些情况下，优选地在无机电解质中形成最终涂层厚度的一半或更多。在一些情况下，在无机电解质中形成最终涂层厚度的约80％或更多。
根据一些实施方案，两个或更多个连续的阳极氧化操作包括第一常规硫酸阳极氧化操作，产生阳极氧化物涂层的外层，并且其表现出对于一些应用工艺要求所必需的透明度、质地和装饰性品质。在一些情况下，该外层经染色且被密封。随后，第二阳极氧化操作在包含有机酸或主要以有机酸作为其活性成分的电解质中执行。在一些实施方案中，第二阳极氧化工艺在包含有机酸(例如，草酸、柠檬酸、苹果酸、丙二酸、乙醇酸、乙酸、酒石酸) 的电解质中执行。在一些实施方案中，第二阳极氧化工艺在包含基本上不含硫的无机酸(例如，磷酸)的电解质中执行。在一些实施方案中，第二阳极氧化操作在与第一阳极氧化操作基本上相同的电流密度下执行，以产生类似的阳极氧化物生长速率。在其他实施方案中，第二阳极氧化操作在比第一阳极氧化操作更高或更低的电流密度下执行，或者在电压控制下执行。第二阳极氧化操作在阳极氧化物层和衬底之间产生不同的界面结构，该第二阳极氧化操作表现出比第一硫酸阳极氧化操作更小的残余应力。这使得表面光洁度在部件的使用寿命期间不易发生脱层和碎裂。
所述结构和方法的显著的有益效果是，可能通过改变两个阳极氧化物层的相对厚度来调节阳极氧化物涂层的颜色。例如，在主要为有机电解质的电解质中形成的阳极氧化物层中的一者可具有强烈的取决于厚度的颜色。通过改变该阳极氧化物层的厚度，可实现宽泛的金色、青铜色和灰色的色调范围，而保护性阳极氧化物涂层的总厚度由第二阳极氧化物层的附加厚度独立控制，该第二阳极氧化物层主要在无机酸中生长，并且相对清澈或无色。
本文所述的方法非常适于为消费产品提供外观上吸引人的表面光洁度。例如，本文所述的方法可用于形成计算机、便携式电子设备和电子设备附件(诸如，由总部位于加利福尼亚州库比蒂诺市(Cupertino，California)的苹果公司(Apple Inc.)制造的那些)的外壳的耐用且外观上吸引人的光洁度。
以下参考图1至图8论述这些和其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。
如上所述，本文所述的方法可用于形成用于消费设备的金属表面的耐用且外观上吸引人的涂层。图1示出了可使用本文所述的方法制造的消费产品。图1包括便携式电话102、平板电脑104和便携式计算机106，其每者可包括金属表面。设备102、设备104和设备106在正常使用期间可受到冲击力，诸如刮擦、摔落、磨损、碎裂和凿击等力。通常，使金属表面阳极氧化，以便向这些金属表面添加保护性阳极氧化物涂层。然而，已经发现，该阳极氧化物涂层的粘合强度可至少部分地取决于用于金属表面的金属的类型。例如，一些较坚硬和较硬的铝合金虽然能够为设备102、设备104和设备106提供良好的结构完整性，但也可形成受到冲击力时更易于碎裂、刮擦和发生其他损伤的阳极氧化物涂层。具体地讲，该阳极氧化物涂层在表面冲击下可具有碎裂、层裂、起泡或脱层的趋势，从而显示出裸露衬底合金的亮点，这些亮点可使设备102、设备104和设备106的外表外观受损。设备102、设备104和设备106的边缘和拐角处的金属表面可特别容易发生这种碎裂和脱层。本文所述的阳极氧化工艺涉及阳极氧化技术，与常规阳极氧化物涂层相比，该阳极氧化技术提供具有改善的耐碎裂和耐脱层特性的阳极氧化物涂层。
为了进一步展示使用常规阳极氧化物涂层时可发生的碎裂和脱层，图2 示出了部件200的剖视图，其包括衬底202，其中阳极氧化物涂层204是使用常规阳极氧化工艺形成的。在阳极氧化工艺期间，衬底202的表面部分被转换为阳极氧化物涂层204。因此，阳极氧化物涂层204在晶粒边界或界面 206处一体地形成，并与衬底202接合。图2示出了暴露于冲击事件例如暴露于刮擦、碎裂或类似冲击力之后的部件200。冲击事件使得阳极涂层204 的一部分在界面206处从衬底202剥离或脱层，从而形成缺口208。缺口 208可在脱层区210处暴露并明显地显示出下面的衬底202的一部分。在一些情况下，冲击力可使得缺口208凿击进入衬底202，并在脱层区210处使得该衬底的多个部分变形或被移除。缺口208的可见度和/或触感可取决于缺口208的尺寸和深度，以及阳极氧化物涂层204和衬底202的颜色。在一些情况下，阳极氧化物涂层204被染成具有特定的颜色，该颜色可与衬底 202的颜色形成对比。例如，阳极氧化物涂层204可被染成红色、蓝色、绿色、黄色或黑色，而衬底202可具有带有金属光泽的亮银色。一般来讲，阳极氧化物涂层204和衬底202的颜色之间的对比度越高，缺口208越明显。
阳极氧化物涂层204易于脱层的一个原因是阳极氧化物涂层204在界面206处与衬底202粘附不良。在一些情况下，已经发现，一些阳极氧化工艺可在阳极氧化工艺期间使得在界面206处形成化学物质。这些化学物质可来自衬底206。例如，衬底202可由包含合金剂的合金(诸如，铝合金)制成。典型的铝合金剂包括锌、硅、铁、铜、锰、镁、铬、钒、钛、铋、镓、铅和锆中的一种或多种。具体地讲，一些较硬的铝合金可含有不同量的锌。合金剂可向衬底202和部件200提供所需的物理特性和功能性品质，诸如硬度或延展性。然而，在一些情况下，这些合金剂中的一种或多种可在阳极氧化工艺期间聚集并在界面206处富集。已经发现，富集在界面206处的特定合金剂可与阳极氧化电解质内的一种或多种化学物质组合以形成脱层化合物，这些脱层化合物可减弱界面206处阳极氧化物涂层 204和衬底202之间的粘结。
在一些情况下，已经发现，来自一些铝合金衬底的锌可在界面206处富集，形成非常薄的锌层，具有估计约2纳米的厚度。富集的锌层可与来自硫酸电解质的含硫物质组合，形成一种或多种含锌和硫的化合物，诸如一种或多种硫酸锌化合物。这些一种或多种含锌和硫的化合物可充当脱层化合物，因为其可破坏阳极氧化物涂层204与衬底202的适当粘附。应当注意，脱层化合物不限于含锌和硫的化合物，其他合金剂和阳极电解质化学物质也可组合，以在界面206处形成其他类型的脱层剂。
可促使阳极氧化物涂层204脱层的另一个可能因素可包括衬底202和阳极氧化物涂层204的机械性能之间的不匹配。促使脱层的另外因素可包括与硬度较低的铝合金相比，一些较硬的铝合金中存在较大的局部残余应力。
本文所述的阳极氧化工艺可用于形成上文参考图2所述的更加耐脱层和层裂的阳极氧化物涂层。该阳极氧化物涂层可在部件诸如设备102、设备 104和设备106的任何合适的金属表面上(包括在边缘和角落处)一体地形成，以保护和/或装饰性地改善它们的外观。该阳极氧化物涂层耐脱层，从而为设备102、设备104和设备106提供坚固耐磨的涂层。在一些情况下，该阳极氧化物涂层被染成具有多个合适颜色中的任一种颜色。因此，该阳极氧化物涂层可提供可持续设备102、设备104和设备106的整个消费寿命的着色一致的涂层。需注意，本文所述的方法可用于为任何合适的衬底或部件提供阳极氧化物涂层，并且不限于图1中所示的设备类型。
在一些实施方案中，该阳极氧化工艺涉及形成包括至少一个促进粘附的阳极氧化物层的多层阳极氧化物涂层，该阳极氧化物层在多层阳极氧化物涂层和衬底之间的晶粒边界处提供良好的粘附。该多层阳极氧化物涂层还可包括装饰性阳极氧化物层，其定位于促进粘附的阳极氧化物层上方并提供所需的装饰性品质，诸如所需的透明度、特定颜色和/或触觉质感。
在一些实施方案中，装饰性阳极氧化物层对应于常规的硫酸电解质阳极氧化物涂层，其被认为是理想的并且适合某些消费产品中的皮肤接触。更具体地讲，可将可引起一定程度的皮肤刺激的阴离子从某些阳极氧化电解质引入促进粘附的阳极氧化物层中，这在一些预期有频繁皮肤接触的消费产品应用中是不可取的。装饰性阳极涂层可提供在促进粘附的氧化物层和部件的外表面之间提供屏障的优点，从而避免消费产品的使用者与促进粘附的阳极氧化物层直接接触。通过首先在常规的硫酸电解质中形成对应于部件暴露表面的装饰性阳极氧化物层，可确保阳极氧化物涂层的外部部分是非常适于皮肤接触的部分。
图3A和图3B示出了根据所述实施方案的部件300的剖视图，该部件正在经历用于形成多层阳极氧化物涂层的阳极氧化工艺。在图3A处，将衬底302的一部分转换为装饰性阳极氧化物层304。衬底302可包含任何合适的可阳极氧化材料，包括但不限于铝、钛、镁、铌、锆、铪和钽中的一种或多种。在一些实施方案中，衬底302是包含合金剂(诸如锌、硅、铁、铜、锰、镁、铬、钒、钛、铋、镓、铅和锆中的一种或多种)的合金。在一些情况下，依据其机械性能诸如硬度、延展性、密度、拉伸强度、可加工性和/或耐腐蚀性来选择衬底302的合金材料。在一些情况下，依据其装饰性能如颜色和/或视觉亮度来选择衬底302的合金材料。在一些情况下，依据机械性能和装饰性能的组合来选择衬底302的合金材料。根据一些实施方案，衬底302包括7000系列铝合金。在具体实施方案中，衬底302是包含锌的高强度铝合金(例如，某些7000系列合金)。
装饰性阳极氧化物层304可使用任何合适的阳极氧化工艺形成。装饰性阳极氧化物层304对应于外部阳极氧化物层，因此可对应于多层阳极涂层最明显的部分。装饰性阳极氧化物层304的表面301可对应于部件300 的外表面。装饰性阳极氧化物层304可被制成具有特定的外表外观。例如，装饰性阳极氧化物层304可具有特定的颜色(色调)或透明度。可通过控制阳极氧化工艺参数来控制装饰性阳极氧化物层304的外观。例如，相较于一些无机酸电解质，在草酸中进行阳极氧化可导致具有金色、青铜色或淡黄色色调的阳极氧化物层。在苹果酸或丙二酸中的阳极氧化可导致具有深黄色或棕色色调的阳极氧化物层。在一些应用中，在需要较透明和无色阳极氧化物层的情况下，金色、青铜色、黄色或棕色的色调是不可取的。因此，可能有利的是使用产生更加无色和透明品质的电解质。在一些情况下，这可使用具有一种或多种无机酸(诸如，硫酸和/或磷酸)的电解质来实现。在一个具体实施方案中，使用硫酸电解质形成具有基本上无色透明的外观的装饰性阳极氧化物层304。在一些实施方案中，还可通过改变阳极氧化工艺参数和/或随后形成的促进粘附的氧化物层的厚度来控制最终阳极氧化物涂层的颜色，下文将参考图3B对其进行详细描述。
确定装饰性阳极氧化物层304的外观的其他因素包括衬底302的材料类型。例如，具有相对大量铜的铝合金可与具有淡黄色色调的阳极氧化物层相关联。根据一些实施方案，衬底302由贫铜(没有铜或含有相对少量的铜)铝合金制成，并且使用无机酸(例如，硫酸)电解质，得到了具有基本上透明无色外观的装饰性阳极氧化物层304。
在一些实施方案中，该阳极氧化工艺包括使用浓度范围为约100克/升至约300克/升硫酸的硫酸电解质，使用约0.5安培/dm2至约3安培/dm2的电流密度。在一个具体实施方案中，使用浓度为约150克/升至约250克/升硫酸、约1至约2安培/dm2电流密度，并且电解质温度为约室温(例如约 20℃至约30℃)的硫酸电解质。对于电压控制方法(与电流密度控制方法相比)，标称电压介于约8伏与约20伏之间。在一些实施方案中，使用混合酸(例如，硫酸和草酸)电解质。装饰性阳极氧化物层304可生长至任何合适的厚度。在一些实施方案中，装饰性阳极氧化物层304生长至约5 微米至30微米之间的厚度。在一个具体实施方案中，装饰性阳极氧化物层 304生长至约6微米至约20微米的厚度。
在图3B处，衬底302的另一部分被转换成促进粘附的阳极氧化物层 306，使得促进粘附的阳极氧化物层306定位于衬底302和装饰性阳极氧化物层304之间。与装饰性阳极氧化物层304相比，促进粘附的阳极氧化物层 306可被设计成对衬底302具有良好的粘附性，并且较少着重外表外观。如上面参考图2所述，一些阳极氧化物涂层由于电解质中的化学物质之间的反应和在阳极氧化物涂层和衬底之间的界面处合金剂的积累而易于脱层。
为了提供对衬底302更好的粘附性，使用促进更好粘附的阳极氧化工艺形成促进粘附的阳极氧化物层306。具体地讲，这涉及使用一种阳极氧化工艺，该阳极氧化工艺使用第二电解质，该第二电解质的特征在于具有一种阻止衬底中的一种或多种合金剂在促进粘附的阳极氧化物层306和衬底302之间的界面310处转化成脱层化合物的化学成分。在一些实施方案中，这涉及使用第二电解质，该第二电解质基本上不含可与富集在界面 310处的合金剂结合以在界面310处形成这些脱层化合物的化学物质。这样，界面310基本上不含脱层化合物，并且在界面310处允许较小的残余应力，从而在阳极氧化物涂层308和衬底302之间产生强大的粘附力。该较强的粘附性减少了上文参考图2所述的脱层的发生。下文将参考图3C更为详细地讨论这些方面。
要避免的电解质内的化学物质的类型可根据衬底302的材料和衬底 302内合金剂的类型而变化。在一些情况下，使用有机酸(例如，草酸) 代替无机酸(硫酸或磷酸)电解质来得到该结果。在一些情况下，仅需要有机酸/无机酸电解质中的主要酸为有机酸。在衬底302是包含锌的铝合金的一些具体实施方案中，电解质基本上不含硫类物质，诸如来自硫酸电解质的硫类物质。这是因为，已经发现，如上所述，硫类物质可与在一些铝合金的界面310处积聚的锌组合。在这些实施方案中，促进粘附的阳极氧化物层306将基本上不含硫和含硫物质，这意味着含有约3重量％或更少的硫或含硫物质。在一些实施方案中，促进粘附的阳极氧化物层306优选地含有少于约2重量％的硫或含硫物质。在一些实施方案中，促进粘附的阳极氧化物层306优选地含有少于约1重量％的硫或含硫物质。这是与使用可包括约10重量％至约15重量％的硫或含硫物质的硫酸电解质形成的阳极氧化物层的比较结果。
硫酸电解质的合适替代物包括有机酸电解质(例如，草酸、柠檬酸、苹果酸、丙二酸、乙醇酸、乙酸和酒石酸电解质)。在一个具体实施方案中，使用草酸电解质。在其他实施方案中，该电解质包括不含硫的无机电解质，诸如磷酸电解质。应当注意，在一些实施方案中，有机酸电解质优于非硫无机电解质。需注意，由于装饰性阳极氧化物层304定位于促进粘附的阳极氧化物层306上方，所以装饰性阳极氧化物层304可充当屏蔽以避免与促进粘附的阳极氧化物层306的直接皮肤接触。这在促进粘附的阳极氧化物层306可含有皮肤刺激物的情况下可能是有用的。
需注意，在一些实施方案中，可另选地或除此之外通过引入化学物质来阻止在界面310处形成脱层化合物，所述化学物质可阻止第二电解质内的化学物质和衬底302内的合金剂组合。例如，衬底302可包括铜作为合金化剂，其可阻止锌(某些衬底内的另一种合金剂)与第二电解质内的硫类物质组合，从而防止在界面310内形成含锌和硫的脱层化合物。然而，衬底302中过多的铜可使得衬底302(和所得的阳极氧化物涂层)具有黄色色调，这在某些应用中可能是不可取的。在设计合适的阳极氧化工艺时应该考虑这些因素。
用于形成促进粘附的阳极氧化物层306的工艺条件将部分地取决于所使用的电解质类型、所需厚度和所需孔结构。在一些实施方案中，优选地，使用用于形成装饰性阳极氧化物层304的相同电流密度来形成促进粘附的阳极氧化物层306，从而获得类似的阳极氧化物生长速率。然而，还可使用更大或更小的电流密度。此外，可在形成装饰性阳极氧化物层304和促进粘附的阳极氧化物层306中的一者或多者时控制电压，以便影响孔径，下文将参考图5A和图5B对此进行详细讨论。在具体实施方案中，使用浓度介于约10克/升至约90克/升之间的草酸电解质。在更具体的实施方案中，使用约30克/升的草酸电解质浓度。
在一些实施方案中，装饰性阳极氧化物层304和促进粘附的阳极氧化物层306中的一者或多者被染色成具有所需颜色。例如，可将一种或多种染料、颜料或金属材料注入到装饰性阳极氧化物层304和促进粘附的阳极氧化物层306中的一者或多者的孔内，以赋予阳极氧化物涂层308相应的颜色。在一些实施方案中，使用孔扩宽工艺来加宽装饰性阳极氧化物层304和促进粘附的阳极氧化物层306中的一种或多种内的孔。这种孔扩宽可允许更多的着色剂沉积在孔内。在一些实施方案中，使用合适的密封工艺进一步密封装饰性阳极氧化物层304和促进粘附的阳极氧化物层306中的一者或多者。
如上所述，还可通过改变阳极氧化工艺参数和/或促进粘附的氧化物层 306的厚度来控制阳极氧化物涂层308涂层的颜色。因此，在一些情况下，促进粘附的氧化物层306可被称为控制颜色的阳极氧化物层。具体地讲，可影响阳极氧化物涂层308颜色的工艺参数可包括在阳极氧化工艺期间采用的电解质浓度、温度和电流密度。在一些情况下，促进粘附的氧化物层306的厚度是最强的颜色控制因素。通常，较薄的层往往具有较浅的着色，并且随着厚度的增加，着色变得越来越强。然而，由于在消费电子产品中的应用通常需要阳极氧化物涂层308具有某一最小厚度，以便为衬底302提供足够的表面硬度和磨损保护，因此不可使用一些更浅和更不明显的色调，因为其对应的氧化物厚度不足。在本文中，通过使用装饰性阳极氧化物层304的厚度补充促进粘附的阳极氧化物层306的厚度来克服这个问题，以使得可独立于阳极氧化物涂层308的颜色来控制阳极氧化物涂层308的厚度。
需注意，在一些实施方案中，在形成促进粘附的阳极氧化物层306之后形成一个或多个附加的阳极层。为了简单起见，未在附图中示出这些实施方案。然而，应当理解，本文所述的方法不限于仅具有两个阳极氧化物层的阳极氧化物涂层。每个连续的阳极氧化物层是通过转换衬底的对应部分而形成的。最后形成的阳极氧化物层将对应于与衬底直接接合的阳极氧化物层。因此，可优化用于形成与衬底直接接合的阳极氧化物层的阳极氧化工艺条件，以促进粘附。
图3C示出了在经受冲击事件例如暴露于刮擦、碎裂或类似冲击力之后的部件300的剖视图。如图所示，冲击事件足够有力，以使得在装饰性阳极氧化物层304以及促进粘附的阳极氧化物层306的一部分内形成缺口 312。然而，由于阳极氧化物层304在界面310处牢固地粘附到衬底302，所以冲击力不足以使阳极氧化物涂层308从衬底302脱层。也就是说，阳极氧化物层306和衬底302之间在界面310处较强的粘结使得缺口312更可能被限制在阳极氧化物涂层308内，并且不太可能引起阳极氧化物涂层 308的脱层和衬底302的暴露。这样，部件300不太可能具有视觉和/或触觉上比部件200(在图2中)更明显的缺口、划痕等。
如上所述，在一些实施方案中，有机酸电解质(例如，草酸电解质)用于形成促进粘附的阳极氧化物层306，以便在界面310处提供良好的粘附性。然而，在一些情况下，有机酸电解质中的阳极氧化可使得促进粘附的阳极氧化物层306变色。具体地讲，草酸电解质可使得阳极氧化物层306具有金色、青铜色或淡黄色色调，这对于需要基本上无色透明阳极层的应用而言是不可接受的。甚至柠檬酸、苹果酸和丙二酸电解质都可能不太理想，因为这些电解质可导致阳极氧化物层306具有更深的黄色或棕色。因此，可能有利的是使促进粘附的阳极氧化物层306相较于装饰性阳极氧化物层304的相对厚度降到最小，以便实现在可接受的颜色范围内的最终涂覆颜色。第一阳极氧化物层304和第二阳极氧化物层306的不同厚度可通过将衬底302以不同的时间量暴露于相应的阳极氧化工艺来实现。这种附加的颜色控制在实现微妙的颜色变化诸如金色、青铜色或灰色等非常浅的色调时可能是可取的。
图4示出了指示相对阳极氧化暴露时间和一些样品衬底所得的阳极氧化物涂层的颜色之间关系的图。图4示出了具有不同阳极氧化物涂层的四个含锌铝合金样品(样品1、样品2、样品3和样品4)的b*颜色对立维度值。该b*颜色对立维度值是L*a*b*色彩空间(或CIELAB)中的一个变量。通常，L*a*b*色彩空间是用于根据对应于亮度的量的色彩对立面L*、对应于绿色和品红色的量的a*，以及对应于蓝色和黄色的量的b*来绘制对象颜色的模型。负a*值表示绿色，而正a*值表示品红色。负b*值表示蓝色，而正b*值表示黄色。因此，具有更多正b*的样品表示更黄的颜色。样品1、样品2、样品3和样品4的颜色测量可使用例如颜色光谱仪执行。
如图4处所示，样品1包括通过在硫酸电解质中将衬底暴露100％的阳极氧化时间而形成的阳极氧化物涂层。样品1具有约-0.1的b*值，表明基本上没有黄色分量。样品2包括一种阳极氧化物涂层，通过在硫酸电解质中将衬底暴露90％的阳极氧化时间(形成装饰性阳极氧化物层)，并且在草酸电解质中暴露10％的阳极氧化时间(形成促进粘附的阳极氧化物层)来形成该阳极氧化物涂层。样品2具有约0.2的b*值，表明非常微小的黄色分量。样品3包括一种阳极氧化物涂层，通过在硫酸电解质中将衬底暴露50％的阳极氧化时间(形成装饰性阳极氧化物层)，并且在草酸电解质中暴露50％的阳极氧化时间(形成促进粘附的阳极氧化物层)来形成该阳极氧化物涂层。样品3的b*值为约3.4，表明具有更多的黄色分量。样品4包括通过在草酸电解质中将衬底暴露100％的阳极氧化时间而形成的阳极氧化物涂层。样品4具有约10.5的b*值，表明基本上为黄色分量。
图4的图表示出，可通过调整用于形成装饰性阳极氧化物层和促进粘附的阳极氧化物层的每个阳极氧化工艺的相对阳极氧化时间来控制使用本文所述多层阳极氧化工艺的阳极氧化物涂层的黄色的量。更具体地讲，促进粘附的阳极氧化物层进行阳极氧化的相对时间越长，促进粘附的阳极氧化物层将越厚，并且所得的阳极氧化物涂层也将越黄。此外，通过将b*值与阳极氧化时间的相对量相关联可得到用于设计进行特定应用的工艺的精确工艺控制参数。例如，图4示出了虚线标签极限-黄色的视觉感知，以表示针对示例性工艺的最大可接受b*值极限。例如，特定工艺可需要约1.0或更小的b*值。
装饰性阳极氧化物层与促进粘附的阳极氧化物层的比例的选择还可取决于部件的最终颜色。例如，如果部件要被染成深色，诸如黑色，则可使用相对高比例的促进粘附的阳极氧化物层(例如，40％或更高)。较高比例的促进粘附的阳极氧化物层可使在促进粘附的阳极氧化物层和衬底之间的界面处的残余应力降到最小，从而提供更良好的粘附性。在一个部件被染成深色的具体实施方案中，优选地约50％的阳极氧化时间在硫酸电解质中进行，从而产生由约50％的装饰性阳极氧化物层厚度组成的阳极氧化物涂层。
在另一方面，如果要在未染色的条件下使用该部件，或者使用带有浅色染料的部件，则可能有利的是形成相对较低比例(例如，20％或更低) 的促进粘附的阳极氧化物层。较低比例的促进粘附的阳极氧化物可提供具有较少变色的阳极氧化物涂层，但是使得在促进粘附的阳极氧化物层和衬底之间的界面处的残余应力降到最小。在其中阳极氧化物涂层未经染色并优选地透明的具体实施方案中，优选地，阳极氧化时间的约98％在硫酸电解质中进行，在有机酸电解质中仅进行约2％的阳极氧化时间。
装饰性阳极氧化物层和促进粘附的阳极氧化物层的孔结构可根据具体应用要求而改变。图5A和图5B示出了根据所述实施方案的剖视图，这些剖视图示出了具有两种不同孔结构的两种不同部件的多层阳极氧化物涂层。图5A示出了具有阳极涂层508的部件500的表面部分，该阳极涂层在衬底 502上一体地形成。阳极涂层508包括装饰性阳极氧化物层504和促进粘附的阳极氧化物层506，其中促进粘附的阳极氧化物层506在界面510处接触衬底。装饰性阳极氧化物层504和促进粘附的阳极氧化物层506中的每一者具有在阳极氧化期间形成的一系列孔。虽然使用不同的阳极氧化电解质形成装饰性阳极氧化物层504和促进粘附的阳极氧化物层506，但是可选择用于形成装饰性阳极氧化物层504和促进粘附的阳极氧化物层506的阳极氧化工艺条件，使得装饰性阳极氧化物层504内的孔直径基本上与促进粘附的阳极氧化物层506内的孔直径相同。这可例如通过基于在每个阳极氧化工艺中使用的电解质的类型调节阳极氧化参数来实现。在一些情况下，即使使用不同的电解质，也可使用类似的阳极氧化参数。例如，在硫酸电解质中形成装饰性阳极氧化物层504和在草酸电解质中形成促进粘附的阳极氧化物层506有时可涉及使用相同或相似的工艺参数(例如，电流密度)。
图5B示出了具有阳极涂层528的部件520的表面部分，所述阳极涂层包括装饰性阳极氧化物层524和促进粘附的阳极氧化物层526，其中促进粘附的阳极氧化物层526在界面530处接触衬底。与图5A中的部件500 相反，装饰性阳极氧化物层524的平均孔径与促进粘附的阳极氧化物层 526的平均孔径不同。具体地讲，促进粘附的阳极氧化物层526内的孔大于装饰性阳极氧化物层524内的孔的直径。在一些情况下，与图5A中的阳极氧化物涂层508相比，其可为阳极氧化物涂层528提供不同的视觉外观。这些不同的孔径可例如通过在形成装饰性阳极氧化物层504和促进粘附的阳极氧化物层506时使用不同的阳极氧化电压来实现。通常，较高的电压与较大的孔径相关联。需注意，在其他实施方案中，装饰性阳极氧化物层526内的孔大于促进粘附的阳极氧化物层524内的孔的直径。
图6A和图6B示出了根据所述实施方案的多个部件的多个部分的剖视图，这些部件带有多层阳极涂层，并具有不同的几何形状。图6A示出了包括边缘601的部件600。边缘601可对应于例如用于电子设备(诸如，设备102、设备104和设备106之一)外壳的边缘或拐角部分。部件600 具有形成在衬底602上的阳极氧化物涂层608。由于其几何形状，边缘601 可受到冲击力，诸如刮擦、碎裂和凿击力。阳极氧化物涂层608一体地形成在边缘601的表面上，从而保护边缘不碎裂等。阳极氧化物涂层608包括装饰性阳极氧化物层604和促进粘附的阳极氧化物层606，如上文实施方案中所述。促进粘附的层606在界面610处提供良好的粘附性，使得当部件600暴露于冲击力时，阳极氧化物涂层608被固定到衬底602。在一些情况下，边缘601具有相对尖锐的角度，例如90度或更小的角度。此外，边缘601处的界面610可由于热和/或机械诱导的应变而经受应力集中。促进粘附的层606的形成加强了界面610，使得虽然存在这些应力集中，但氧化物涂层608被固定到衬底602。
图6B示出了部件620，其包括双边缘621，有时称为斜面化边缘。类似于边缘600，双边缘621可对应于用于电子设备(诸如，设备102、设备 104和设备106之一)外壳的边缘或拐角部分。阳极氧化物涂层628在衬底622上一体地形成并保护该衬底，包括在双边缘621处。阳极氧化物涂层628包括装饰性阳极氧化物层624和促进粘附的阳极氧化物层626，如上文实施方案中所述。促进粘附的层626在界面630处提供良好的粘附性，使得当部件620暴露于冲击力以及由于双边缘621的几何形状引起应力集中时，阳极氧化物涂层628被固定到衬底622。
图7示出了根据所述实施方案的指示形成多层阳极氧化物涂层的工艺的高级流程图700。在702处，通过在第一电解质中阳极氧化衬底来形成装饰性阳极氧化物层。衬底可包括任何合适的可阳极氧化材料并且可包括金属合金。在一些实施方案中，金属合金包含合金剂，诸如锌。被阳极氧化的衬底表面可具有任何合适的纹理。例如，衬底表面可具有通过多个合适纹理化工艺(诸如，一个或多个化学蚀刻、激光蚀刻和喷砂操作)中的任一者产生的粗糙表面。另选地，可通过多个合适的磨光和/或抛光操作中的任一种来产生平滑的衬底表面。
装饰性阳极氧化物层对应于外部阳极氧化物层，并且包括对应于多层阳极氧化物涂层的外部表面的外表面。第一电解质可具有被选择为提供特定外观和/或触觉质感的化学成分。在一些实施方案中，第一电解质可包括硫酸和/或磷酸，以便为装饰性阳极氧化物层提供基本上无色透明的外观。在使用硫酸电解质的实施方案中，装饰性阳极氧化物层可包含硫或含硫物质。
在704处，在装饰性阳极氧化物层和衬底之间任选地形成一个或多个附加的阳极氧化物层。这些附加的阳极氧化物层可使用多个相同或不同的阳极氧化工艺中的任何一种形成，以形成具有多个不同外观和/或触觉质感中任何一种的阳极氧化物层，以使多层阳极氧化物涂层具有特定的最终外观和 /或触觉质感。在一些情况下，一个或多个附加的阳极氧化物层可具有不同的硬度或拉伸强度，其提供最终的多层阳极氧化物涂层的累积硬度或强度。
在706处，通过在衬底附近形成促进粘附的阳极氧化物层来形成多层阳极氧化物涂层。可通过在与第一电解质不同的第二电解质中阳极氧化衬底来形成促进粘附的阳极氧化物层。第二电解质的特征在于具有防止衬底中的至少一种合金剂在促进粘附的阳极氧化物层和衬底之间的界面处转化成脱层化合物的化学成分。该脱层化合物与降低阳极氧化物涂层和衬底之间的粘合强度相关联。例如，防止锌(在一些铝合金中使用的合金剂)形成含锌和硫的化合物，已经示出该化合物在阳极氧化物涂层和衬底之间的界面处积累时使得阳极氧化物涂层脱层。因此，在一些实施方案中，第二电解质基本上不含含硫物质。
如上所述，可基于所需的最终颜色和/或结构性质(如最终硬度)来控制装饰性阳极氧化物层和促进粘附的氧化物层的相对厚度。在一些实施方案中，用深色染料(例如黑色染料)为阳极氧化物涂层染色。在这些情况下，装饰性阳极氧化物层和促进粘附的氧化物层的任何变色可都不重要。因此，在这些情况下，可形成相对厚的(例如，阳极氧化物涂层厚度的 50％或更多)促进粘附的氧化物层。在其他实施方案中，不实施后续的染色工艺，并且阳极氧化物涂层优选地是无色透明的。在这些情况下，在电解质中使用与提供基本上无色透明的装饰性阳极氧化物层一致的阳极氧化参数形成装饰性阳极氧化物层。另外，为了将由促进粘附的氧化物层的存在引起的变色降到最低，可形成厚度相对较小的(例如，阳极氧化物涂层厚度的10％或更小)促进粘附的氧化物层。在另外的实施方案中，可通过控制着色氧化物的厚度、与无色氧化物的厚度组合以构成氧化物厚度的大部分来赋予精确的颜色。这可用于产生浅黄色、青铜色或金色色调。
在708处，任选地经一个或多个后阳极氧化工艺来处理多层阳极氧化物涂层。后阳极氧化工艺的类型将取决于多层阳极氧化物涂层的性质以及具体的应用要求。例如，可通过在多层阳极氧化物涂层的孔内注入一种或多种染料来着色多层阳极氧化物涂层。在一些情况下，在注入染料之前，使用孔扩宽工艺来扩宽孔，以便容纳更多的染料颗粒。在一些实施方案中，使用合适的密封工艺来密封多层阳极氧化物涂层。需注意，可根据需要在上述702、704、706和708中任两者之间执行一个或多个漂洗工艺。
根据一些实施方案，在包括一种或多种类型的合金剂的衬底上形成单个促进粘附的阳极氧化物层，所述合金剂具有使用常规阳极氧化技术引起脱层的可能性。图8示出了具有形成在衬底802上的促进粘附的阳极氧化物层 804的部件800的表面的剖视图。衬底802可包括一种或多种类型的合金剂诸如锌，其可使得常规的硫酸阳极氧化物涂层脱层，如上文参考图2所述。在一个具体实施方案中，衬底802是包含锌的高强度铝合金(例如，某些 7000系列合金)。如上所述，一种或多种合金剂可在界面808处富集。
使用一种阳极氧化工艺形成促进粘附的阳极氧化物层804，该阳极氧化工艺使用基本上不含化学物质的电解质，所述化学物质可与在界面808处富集的合金剂结合以形成脱层化合物。在一些情况下，这意味着促进粘附的阳极氧化物层804基本上不含硫，硫可与锌结合形成含硫的脱层化合物，如上所述。在一些实施方案中，使用有机酸阳极氧化电解质(诸如具有草酸、柠檬酸、苹果酸、丙二酸、乙醇酸、乙酸和酒石酸中一种或多种的电解质)形成促进粘附的阳极氧化物层804。在一些实施方案中，使用基本上不含硫的无机酸阳极氧化电解质(例如磷酸)形成促进粘附的阳极氧化物层804。
需注意，部件800具有单层阳极涂层，促进粘附的阳极氧化物层 804。因此，表面801对应于促进粘附的阳极氧化物层804的暴露表面以及部件800的外表面。这种布置可用于其中衬底802可易于使用常规阳极氧化电解质工艺(即，由于某些合金剂)脱层并且其中需要单层阳极氧化物层的应用中。
上述描述为了进行解释使用了特定命名来提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，实践所述实施方案不需要这些具体细节。因此，出于说明和描述的目的呈现了对本文所述的具体实施方案的上述描述。它们并非意在穷举或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根据上述教导内容，许多修改和变型是可能的。