一种铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层及其制备方法与流程

本发明属于先进功能涂层制备技术领域，特别涉及一种铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层及其制备方法。

背景技术：

铝合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、易于加工等特点，是一种优异的轻量化结构材料，在汽车零部件、航空航天等重要领域极具应用前景。但铝合金的硬度低导致其在重接触应力下具有差的表面耐磨性，从而制约其应用。

微弧氧化是在传统阳极氧化技术的基础上发展起来的一种较新的表面处理技术，其通过电解液与电参数的匹配调节，使工件表面在电解液中依靠微弧光放电产生的瞬时高温高压作用，可以在阀金属表面原位生长出一层以基体元素氧化物为主辅以电解液成分并且具有超高硬度的陶瓷涂层，从而显著提高基体材料的表面耐磨性能，对于铝合金是一种非常理想的表面强化方法。

但是，在微弧氧化过程中，由于气体析出和熔融氧化物快速凝固会在涂层中产生微孔和微裂纹等固有缺陷，导致在干滑动条件下摩擦副的摩擦系数高，两种对磨材料磨损严重等问题，限制其应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于降低铝合金微弧氧化陶瓷涂层的摩擦系数和提高其耐磨性能，提供了一种铝合金表面微弧氧化-磁控溅射铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层的制备方法。

本发明的技术方案为：一种铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层，所述铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层结构包括铝合金微弧氧化陶瓷层和磁控溅射mos2减摩功能层；首先将铝合金浸入硅酸盐电解液中进行微弧氧化处理制备多孔陶瓷层，然后在多孔陶瓷层上使用磁控溅射技术沉积自润滑的mos2涂层。

一种铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)配置电解液，电解液配方为：10～20g/l硅酸钠(nasio3·9h2o)、1～3g/l氢氧化钠(naoh)、3～6g/l六偏磷酸钠(napo3)6，用玻璃棒拌匀并超声震荡1～5min；

(2)使用步骤(1)配置好的电解液对表面清洁后的铝合金进行微弧氧化处理，制备陶瓷层，微弧氧化电参数为：频率是400～700hz，占空比是10～30％，电压是300～500v，处理时间是20～60min；

(3)将步骤(2)微弧氧化处理后表面覆有陶瓷层的铝合金放进无水乙醇中超声清洗1～10min，再热风吹干后装夹在磁控溅射设备腔室中的行星架上；

(4)对覆有陶瓷层的铝合金表面进行等离子体清洗；将磁控溅射设备腔室抽至真空度为5～7×10^-2pa后通入高纯氩气，设置氩气流量为200～300sccm，基体偏压为-500～-800v，清洗时间是10～30min；

(5)在表面覆有陶瓷层的铝合金上磁控溅射沉积mos2减摩功能层；

(6)镀膜结束后，开启循环冷却水系统，待工件冷却至80℃以下取出。

优选地，所述步骤(1)中电解液的组成浓度为：15g/l硅酸钠(nasio3·9h2o)、2g/l氢氧化钠(naoh)、5g/l六偏磷酸钠(napo3)6。

优选地，所述步骤(2)中电参数为：频率是500hz，占空比是30％，电压是470v，处理时间是30min。

优选地，所述步骤(5)磁控溅射沉积中采用靶材为纯度99.95％的mos2化合靶，溅射气体为99.99％高纯氩气，沉积过程采用气压控制，气压维持在0.8～1.2pa，基体偏压是-30～-70v，靶电流0.5～2a，镀膜时间为1～5h。

优选地，所述铝合金为6063铝合金，其元素成分为si0.20％～0.60％、fe0.35％、cu0.10％、mn0.10％、mg0.45％～0.90％、cr0.10％、zn0.10％、ti0.10％，余量为al。

本发明的有益效果是：本发明通过微弧氧化技术和磁控溅射技术的结合，使用磁控溅射技术在铝合金微弧氧化陶瓷层表面沉积mos2涂层，一方面微弧氧化层的微坑可以与磁控溅射层形成机械锁合作用，有利于提高涂层的附着性；另一方面微坑可以作为mos2润滑剂的储存库，为涂层提供长久有效的减摩效果；本发明所制备的复合涂层结合力好、可有效克服单一涂层的局限性，显著提高涂层的摩擦学性能。

附图说明

图1分别是实施例1、2、3微弧氧化单一涂层(a、c、e)和实施例1、2、3制备的铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层(b、d、f)表面sem形貌图。

图2是实施例1制备的铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层表面eds能谱图。

图3是微弧氧化单一涂层和本发明制备的铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层的摩擦系数随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，但不限制本发明的保护范围和应用范围。

实施例1

一种铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

实验所用基体材料为块状(15×15×3mm)6063铝合金，其元素成分(质量分数)为si0.20％～0.60％、fe0.35％、cu0.10％、mn0.10％、mg0.45％～0.90％、cr0.10％、zn0.10％、ti0.10％，余量为al。铝合金基材分别用400#、600#、1000#和1500#的砂纸打磨后，无水乙醇超声清洗3min，吹干备用。

1)配置电解液，电解液配方为：15g/l硅酸钠(nasio3·9h2o)、2g/l氢氧化钠(naoh)、5g/l六偏磷酸钠(napo3)6，用玻璃棒拌匀并超声震荡3min；

2)使用步骤1)配置好的电解液对表面清洁后的铝合金进行微弧氧化处理，制备陶瓷层，微弧氧化电参数为：频率是500hz，占空比是30％，电压是470v，处理时间是30min；

3)将步骤2)微弧氧化处理后表面覆有陶瓷层的铝合金放进无水乙醇中超声清洗5min，再热风吹干后装夹在磁控溅射设备腔室中的行星架上；

4)对覆有陶瓷层的铝合金表面进行等离子体清洗：将磁控溅射设备腔室抽至真空度为6×10^-2pa后通入高纯氩气，设置氩气流量为260sccm，基体偏压为-600v，清洗时间是20min；

5)在表面覆有陶瓷层的铝合金上磁控溅射沉积mos2减摩功能层：靶材为纯度99.95％的mos2化合靶，溅射气体为99.99％高纯氩气，沉积过程采用气压控制，气压维持在1pa，基体偏压是-50v，靶电流1a，镀膜时间为3h。

实施例2

一种铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

实验所用基体材料为块状(15×15×3mm)6063铝合金，其元素成分(质量分数)为si0.20％～0.60％、fe0.35％、cu0.10％、mn0.10％、mg0.45％～0.90％、cr0.10％、zn0.10％、ti0.10％，余量为al。铝合金基材分别用400#、600#、1000#和1500#的砂纸打磨后，无水乙醇超声清洗3min，吹干备用。

1)配置电解液，电解液配方为：15g/l硅酸钠(nasio3·9h2o)、2g/l氢氧化钠(naoh)、5g/l六偏磷酸钠(napo3)6，用玻璃棒拌匀并超声震荡3min；

2)使用步骤1)配置好的电解液对表面清洁后的铝合金进行微弧氧化处理，制备陶瓷层，微弧氧化电参数为：频率是500hz，占空比是20％，电压是450v，处理时间是30min；

3)将步骤2)微弧氧化处理后表面覆有陶瓷层的铝合金放进无水乙醇中超声清洗5min，再热风吹干后装夹在磁控溅射设备腔室中的行星架上；

4)对覆有陶瓷层的铝合金表面进行等离子体清洗：将磁控溅射设备腔室抽至真空度为6×10^-2pa后通入高纯氩气，设置氩气流量为260sccm，基体偏压为-700v，清洗时间是20min；

5)在表面覆有陶瓷层的铝合金上磁控溅射沉积mos2减摩功能层：靶材为纯度99.95％的mos2化合靶，溅射气体为99.99％高纯氩气，沉积过程采用气压控制，气压维持在1pa，基体偏压是-50v，靶电流1a，镀膜时间为2h。

实施例3

一种铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

实验所用基体材料为块状(15×15×3mm)6063铝合金，其元素成分(质量分数)为si0.20％～0.60％、fe0.35％、cu0.10％、mn0.10％、mg0.45％～0.90％、cr0.10％、zn0.10％、ti0.10％，余量为al。铝合金基材分别用400#、600#、1000#和1500#的砂纸打磨后，无水乙醇超声清洗3min，吹干备用。

1)配置电解液，电解液配方为：15g/l硅酸钠(nasio3·9h2o)、2g/l氢氧化钠(naoh)、5g/l六偏磷酸钠(napo3)6，用玻璃棒拌匀并超声震荡3min；

2)使用步骤1)配置好的电解液对表面清洁后的铝合金进行微弧氧化处理，制备陶瓷层，微弧氧化电参数为：频率是600hz，占空比是10％，电压是430v，处理时间是30min；

3)将步骤2)微弧氧化处理后表面覆有陶瓷层的铝合金放进无水乙醇中超声清洗5min，再热风吹干后装夹在磁控溅射设备腔室中的行星架上；

4)对覆有陶瓷层的铝合金表面进行等离子体清洗：将磁控溅射设备腔室抽至真空度为6×10^-2pa后通入高纯氩气，设置氩气流量为260sccm，基体偏压为-800v，清洗时间是20min；

5)在表面覆有陶瓷层的铝合金上磁控溅射沉积mos2减摩功能层：靶材为纯度99.95％的mos2化合靶，溅射气体为99.99％高纯氩气，沉积过程采用气压控制，气压维持在1pa，基体偏压是-50v，靶电流1a，镀膜时间为1h。

表面形貌分析，如图1所示，本发明制备的铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层的样品表面的微孔数量以及孔径较铝合金微弧氧化单一涂层明显减少。

表面成分分析，如图2所示，本发明制备的铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层的样品表面多为钼与硫元素，磁控溅射涂层较为均匀完整。

摩擦学性能分析，如图3所示，本发明制备的铝合金表面微弧氧化减摩复合涂层的摩擦系数较微弧氧化单一涂层明显下降。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或简单替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。