一种用于镁合金激光焊接接头表面制备保护膜的电解液及等离子电解氧化工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属材料表面改性处理技术，特别涉及一种镁合金激光焊接接头表面 等离子电解氧化的工艺方法和电解液，主要适用于改善镁合金激光焊接接头的耐腐蚀性 能、腐蚀均匀性，延长镁合金激光焊接制品的服役寿命。
【背景技术】
[0002] 镁合金材料具有密度小，比强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷 能力强的特点。高强度的镁合金已经广泛应用于大型船舶、地铁轻轨、钻探设备、航空航天、 汽车制造等领域。但是由于镁的标准电极电位为-2. 37V，是所有工业合金中化学活性最高 的金属，其较差的耐腐蚀性能大大限制了镁合金在工业中的应用，镁合金腐蚀成为工程界 关注的问题，抗腐蚀性成为评定舰船、航空航天结构使用性能的重要指标。由于镁合金表 面极容易形成一层氧化膜，加之镁的热导率和比热较大，导热快，线膨胀系数大，采用激光 焊接镁合金时容易在焊缝处形成气孔和夹杂，大大降低接头的耐腐蚀性能和力学性能。同 时由于激光焊接属于熔化焊接方法，焊接冶金过程造成焊缝与母相基体的组织性能差异很 大，并且产生很大的残余应力，这电会导致焊接接头耐腐蚀性能的降低。目前还缺乏有效解 决镁合金激光焊接接头腐蚀问题的办法。
[0003] 申请号为200910077700. X、申请日为2009.01. 16的专利文献中，采用改变激光焊 接工艺参数的方法，通过调节焊丝距光斑的距离d、距光斑的高度h、与工件的角度a以及送 丝速度和焊接速度等参数，达到减少焊缝组织气孔率，改善镁合金激光焊缝性能的目的。但 是工艺较为复杂，并且焊缝与基体性能组织仍有差异，无法达到性能均一的目的。
[0004] 等离子电解氧化技术是一种直接在有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术，就是 将Al、Mg、Ti、Zr等阀金属或其合金置于电解质水溶液中，施加高电压使金属表面产生大量 游动的等离子火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下生成致密的 陶瓷氧化膜。申请号为201310124279. X、申请日为2013.04. 11的专利文献中，主要利用离 子电解氧化膜层的生物活性。而本发明采用等离子体电解方法在镁合金激光焊接接头表面 形成均匀致密的氧化膜，使焊缝及母相表面陶瓷膜特性一致，提高镁合金焊接件的耐腐蚀 性能以及腐蚀均匀性。
【发明内容】
[0005] 本发明的电解液中添加 ZrO2纳米颗粒，在镁合金表面制备含有t-Zr02四方相的陶 瓷膜，有利于耐腐蚀性的改善，并且利用t-Zr0 2四方相相变增韧的机理可改善等离子电解 氧化膜与镁合金基体的结合力。
[0006] 以下对发明方法作进一步描述，具体如下：
[0007] 本发明所述用于镁合金激光焊接接头等离子电解氧化制备保护膜的电解液为磷 酸钠、氢氧化钾、氟化钾、柠檬酸盐、甘油、氧化锆纳米粉均匀混合组成的水溶液，其中磷酸 钠含量为4-12g/L，氢氧化钾含量为2-8g/L，氟化钾含量为2-6g/L，朽1檬酸盐含量为2-5g/ L，甘油含量为5-10ml/L，氧化锆纳米粉含量为0-10g/L。所述的水为去离子水。
[0008] 该电解液适合各种牌号的镁合金进行等离子电解氧化处理。
[0009] 所述的方法是按照以下步骤完成：①预处理：将镁合金激光焊接样品，用 320#_2000 #砂纸逐级打磨后，放入丙酮溶液中用超声波清洗除油。②等离子电解氧化处理： 将样品接在电源正极，负极接在不锈钢电解槽，然后将试样放入配好的电解液中。实验过程 中利用气体搅拌器对电解液进行搅拌，利用水循环冷却系统对电解槽进行冷却，以便控制 溶液温度。③处理完毕后，将等离子电解氧化样品取出，经水洗、干燥后备用。
[0010] 所述的镁合金激光焊接接头等离子电解氧化的工艺方法，在选定的电解液中电参 数为：正电压+300?+550V，负电压-50V?-200V，氧化时间5min?20min。 toon] 实验结果证明，经过本方法处理过的焊接样品接头各个区域的等离子电解氧化膜 均匀致密、具有相同的微观形貌和良好的耐腐蚀性能。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明实施例2获得的AZ31B镁合金激光焊接接头等离子电解氧化试件截 面金相照片。
[0013] 图2为AZ31B镁合金基体及本发明实施例1、例2获得的AZ31B镁合金激光焊接接 头表面等离子电解氧化膜在经中性盐雾试验腐蚀后样品表面的扫描电镜形貌图。其中2(a) 是镁合金基体，2(b)是Ml样品的氧化膜，2 (c)是M2样品的氧化膜。
【具体实施方式】
[0014] 结合本发明技术方案提供以下实施例：
[0015] 实施例1
[0016] 样品为AZ31B镁合金激光焊接试样。镁合金激光焊接接头等离子电解氧化制备耐 腐蚀保护膜制备方法为：
[0017] 1)预处理：
[0018] 将镁合金激光焊接样品，用320#-2000#砂纸逐级打磨后，放入丙酮中用超声波清 洗除油。
[0019] 2)等离子电解氧化处理
[0020] 配置电解液：电解液由磷酸钠、氢氧化钾、氟化钾、柠檬酸盐、甘油、氧化锆纳米粉 均匀混合组成的水溶液，其中磷酸钠含量为4g/L，氢氧化钾含量为4g/L，氟化钾含量为4g/ L，朽1檬酸盐含量为2g/L，甘油含量为5ml/L。所用水为去尚子水。
[0021] 将AZ31B镁合金激光焊接样品放入配制好的电解液中，以激光焊接样品作为阳 极，不锈钢电解槽作为阴极，正电压+500V，负电压-100V，处理时间lOmin。最终得到经等离 子电解氧化处理的镁合金激光焊接样品Ml。
[0022] 实施例2
[0023] 按照实施例1相同方法处理AZ31B镁合金激光焊接接头样品，所用电解液为：磷 酸钠含量为4g/L，氢氧化钾含量为4g/L，氟化钾含量为4g/L，柠檬酸盐含量为2g/L，甘油含 量为5ml/L，另加入4g/L纳米ZrO 2粉。等离子电解氧化处理电参数为正电压+500V，负电 压-100V，氧化时间lOmin。最终得到经等离子电解氧化处理的镁合金激光焊接样品M2。附 图1可以看出经过例2处理的AZ31B镁合金激光焊缝的截面形貌，焊核区和镁合金母相区 表面均形成致密均匀的氧化膜，并且氧化膜与基体结合紧密。
[0024] 实施例3
[0025] 按照实施例2相同的电解液和方法处理AZ3IB镁合金激光焊接接头样品，电参数 为正电压+450V，负电压-55V，氧化时间lOmin。最终得到等离子电解氧化处理的镁合金激 光焊接接头样品M3。
[0026] 实施例4
[0027] 按照实施例1相同方法处理AZ31B镁合金激光焊接接头样品。磷酸钠含量为6g/ L，氢氧化钾含量为6g/L，氟化钾含量为2g/L，朽1檬酸盐含量为2g/L，甘油含量为8ml/L，另 加入8g/L纳米ZrO 2粉。等离子电解氧化处理电参数为正电压+500V，负电压-100V，氧化 时间lOmin。最终得到等离子电解氧化处理的镁合金激光焊接接头样品M4。
[0028] 实施例5
[0029] 对实施例1-4所得的样品M1-M4进行如下性能测试，结果如表1所示。
[0030] (1)表面粗糙度测试
[0031] 采用粗糙度仪型号为北京时代TR200,记录样品表面粗糙度的算术平均值，简称为 Ra值
[0032] (2)氧化膜厚度测量
[0033] 切割制备的样品并用胶木粉镶样，打磨抛光后，使用型号为Hitachi S-4800扫描 电子显微镜观察膜层截面形貌，并测量微弧氧化膜的厚度，取五个点平均值作为膜层的厚 度值。
[0034] (3)显微硬度
[0035] 使用型号为HX-1000TM的维氏显微硬度计测量试样表面五点的硬度，载荷50g，取 平均值得到微弧氧化膜层的显微硬度。
[0036] 表 1
【主权项】
1. 一种用于镁合金激光接头表面等离子电解氧化膜制备的电解液，其特征在于，所述 的电解液包括磷酸钠、氢氧化钾、氟化物、柠檬酸盐和甘油水溶液，并加入氧化锆纳米粉。
2. 根据权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述的电解液中磷酸钠的含量为 4-12g/L，氢氧化钾含量为2-8g/L，氟化钾含量为2-6g/L，朽 1檬酸盐含量为2-5g/L，甘油含 量为5-10ml/L，氧化锆纳米粉末含量为0-10g/L的水溶液。
3. -种镁合金激光焊接接头表面等离子电解氧化的工艺方法，其特征在于所述的方法 是按照以下步骤完成： ① 预处理：将镁合金激光焊接样品，用320#-2000#砂纸逐级打磨后，放入丙酮溶液中用 超声波清洗除油。 ② 等离子电解氧化处理：处理时将样品接在电源正极，负极接在不锈钢电解槽。然后将 试样放入权利要求2配制的电解液中，实验过程中利用气体搅拌器对电解液进行搅拌，以 保持电解液温度及成分保持相对稳定和均匀。利用水循环冷却系统对电解槽进行冷却，使 电解液温度控制在35°C以下。 ③ 等离子电解氧化完成后，将激光焊接样品取出并经水洗、干燥处理。
4. 按照权利要求3所述的镁合金激光焊接接头等离子电解氧化的工艺方法，其特征 在于：双极性脉冲条件，正电压+300V?+550V，负电压-50V?-200V，氧化时间5min? 20min〇
【专利摘要】本发明公开了一种镁合金激光焊接接头等离子电解氧化的电解液配方以及工艺方法，具体为在镁合金激光焊接头表面利用等离子电解氧化技术制备陶瓷保护膜，以解决镁合金激光焊接接头耐腐蚀性能差以及焊缝与镁合金基体性能不均匀的问题，延长实际工业应用中镁合金激光焊接制品的服役寿命。所述的电解液为磷酸钠、氢氧化钾、氟化钾、柠檬酸盐、甘油、氧化锆纳米粉均匀混合组成的水溶液。该工艺方法简单，成本低，使用的电解液仅含盐类物质和少量碱，可直接排放。制备的陶瓷保护膜厚度为10μm～60μm，保护膜平均硬度比镁合金基体高10倍以上。
【IPC分类】C25D11-30
【公开号】CN104611749
【申请号】CN201310538365
【发明人】薛文斌, 刘晓龙, 阳超林, 曲尧, 杜建成, 华铭
【申请人】北京师范大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2013年11月5日