专利名称：铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种表面涂层制备方法，具体地说，是一种铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，属于材料工程技术领域。
背景技术：
原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料中增强相的引入，大大提高的铝合金的力学性能。与此同时，TiB2增强颗粒存在使复合材料的腐蚀行为复杂化，其抗腐蚀性能要比基体合金低得多，这将严重限制该材料在某些腐蚀条件较苛刻环境中的使用。非晶态结构的膜具有各向同性、表面无晶界的特点，故在腐蚀性介质中不易形成腐蚀微电池，发生电化学腐蚀的可能极小，具有较好耐蚀性。考虑在原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料表面制备非晶氧化铝复合膜层有望提高该材料的抗腐蚀性。
有关铝基复合材料表面耐蚀涂层制备工艺的报道极少，且研究工作主要是针对SiC颗粒增强的复合材料。其工艺手段大都是在材料表面制备氧化铝膜，然后对其进行封孔处理。
经对现有技术文献检索发现，贺春林等人在《黄金学报》，20013(2)97-99刊登了“SiCp/2024Al铝基复合材料的腐蚀及防护”，提出采用单一硫酸电解液，在SiCp/2024Al复合材料表面制备氧化铝膜，用重铬酸钾溶液进行封孔，在复合材料表面获得了耐蚀性较好的保护层。但是六价铬酸盐毒性大，严重危害人类健康，对环境造成极大的污染。整个封孔过程又需要控制封孔溶液的温度，工艺较复杂。单一硫酸作为阳极氧化电解液，反应中溶液升温快、过程难以控制，过高的溶液温度往往导致氧化膜质量下降，影响膜层的抗腐蚀性。检索中还发现，周育红等人在2000年第4期《高技术通讯》上撰文“铝金属基复合材料Al6061/SiCp表面混合稀土转化膜的研究”，提出采用无毒稀土作为成膜物质，直接在SiCp/6061Al复合材料表面获得金黄色的非晶稀土转化膜，在一定程度上提高了复合材料的抗腐蚀性，但膜层厚度仅3-5μm，实际应用仍受到限制。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，即在原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料表面制备均匀的非晶耐蚀膜层。本发明在硫酸电解液中添加有机酸，来减少阳极化过程中反应热效应的影响，在不降低氧化膜质量的前提下，有效拓宽阳极氧化允许工作温度范围，在复合材料表面制备非晶氧化铝膜；室温下采用无毒稀土混合液对氧化膜进行封孔处理，通过封孔液中的化学反应在氧化膜上沉积一层非晶稀土化合物膜，从而大大提高原位TiB2颗粒增强铝基复合材料抗腐蚀能力。该阳极氧化技术允许的工作温度范围宽，工艺简单；并用常温无毒稀土盐封孔取代了铬酸盐封孔。
本发明通过以下技术方案实现的，本发明采用混合酸阳极氧化电解液，对复合材料进行宽温氧化制备非晶氧化铝膜，将氧化铝膜浸入无毒的稀土盐混合溶液中，利用稀土盐与氧化剂和添加剂的协同作用，封住氧化铝膜的多孔层，同时在膜表面沉积一层均匀致密的稀土化合物保护层。通过该工艺对原位TiB2颗粒增强铝基复合材料表面处理可大大提高它的抗腐蚀性。具体步骤如下(1)复合材料表面预处理采用抛光、除油和酸性活化，获得阳极氧化预处理表面；(2)复合材料阳极氧化采用硫酸、草酸和硼酸的混合溶液作为电解液，对原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料进行阳极氧化，在其表面生成一层非晶氧化铝膜；(3)氧化膜封孔和稀土化合物沉积采用稀土盐添加氧化剂和添加剂的混合溶液对氧化铝膜进行封闭处理，利用溶液中的化学反应封闭氧化铝膜的多孔层，同时在氧化铝膜表面沉积一层均匀、致密的非晶稀土化合物膜。
所述步骤(1)中，抛光方法为依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再机械抛光。
所述步骤(1)中，除油所用的除油液为丙酮溶液。
所述步骤(1)中，酸性活化具体为采用硝酸、氢氟酸混合溶液，硝酸、氢氟酸体积比为3∶1，腐蚀时间为10-20s。
所述步骤(2)中，电解液采用去离子水配制，各成分所占质量百分含量如下15.0-18.0％硫酸、1.0-2.0％草酸和0.03-0.05％硼酸。
所述步骤(2)中，阳极氧化工艺参数为电流密度为1.52.0A/dm2，氧化温度为10-30℃，氧化时间为1-1.5h。
所述步骤(3)中，稀土盐为硝酸亚铈或氯亚化铈，Ce3+离子浓度范围为1.0-1.2×10-3mol/L。
所述步骤(3)中，氧化剂为双氧水，浓度范围5-8ml/L。
所述步骤(3)中，添加剂为丙三醇，浓度为0.5ml/L。
所述步骤(3)中，氧化膜封孔和稀土化合物沉积工艺参数为，温度为25℃，PH值2.5-3.5，时间1-2小时。
本发明在原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料表面制备均匀致密的稀土封孔氧化膜。采用混合酸电解液，拓宽了阳极氧化允许的工作温度范围。用无毒稀土封孔取代铬酸盐封孔工艺，解决了六价铬严重污染环境和危害人体健康问题。此外，一般的复合材料阳极氧化后采用水合封孔、镍盐和铬酸盐封孔，需将封孔溶液控制在一定的温度，且仅是通过化学反应将氧化膜的多孔层封闭。本发明采用的封孔方法在室温下即可进行，不但能填充和封闭氧化铝膜的多孔层；而且细小的铈化合物也在氧化膜表面形核、长大成一层均匀的稀土化合物膜。X射线衍射分析已经证实该工艺制备的表面涂层确为非晶结构。盐雾腐蚀实验28天后，最优的工艺获得的膜层表面仍未发现任何腐蚀产物；在NaCl溶液中进行电化学测试，腐蚀电流密度与未处理的材料相比，下降了2-3个数量级。这些结果说明该工艺在复合材料表面制备的保护涂层具有优良抗腐蚀性能。该工艺操作简单、方便，具有较广的适用范围。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例11)复合材料依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再进行机械抛光。在丙酮溶液除油后，浸入硝酸和氢氟酸混合溶液(体积比3∶1)中活化10s；
2)采用浓度为15.0％硫酸、1.0％草酸和0.05％硼酸混合液作为电解液，在1.5A/dm2，10℃下对复合材料进行1h阳极氧化，表面生成非晶氧化铝膜；3)将制备好的氧化铝膜浸入1.0×10-3mol/L硝酸亚铈+5ml/L双氧水+0.5ml/L丙三醇混合溶液中进行封孔和稀土化合物层沉积。温度为25℃，PH值3.5，时间1小时，取出后热风吹干。盐雾腐蚀21天，涂层表面未发生任何腐蚀。对比试样直接稀土转化膜腐蚀实验进行到7天，表面已经出现明显的腐蚀产物。
在3.5wt.％NaCl溶液中进行电化学试验，结果表明经过表面处理的试样与未处理的试样相比，抗腐蚀性能明显提高，腐蚀电流密度从10-5A/cm2数量级，降低到10-7A/cm2数量级，这一腐蚀电流密度与铬酸盐封孔的氧化膜的腐蚀电流处于同一个数量级。
实施例21)复合材料依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再进行机械抛光。在丙酮溶液除油后，浸入硝酸和氢氟酸混合溶液(体积比3∶1)中活化10s；2)采用浓度为16.0％硫酸、2.0％草酸和0.04％硼酸混合液作为电解液，在1.5A/dm2，20℃下对复合材料进行1.5h阳极氧化，表面生成非晶氧化铝膜；3)将制备好的氧化铝膜浸入1.2×10-3mol/L硝酸亚铈+7ml/L双氧水+0.5ml/L丙三醇混合溶液中进行封孔和稀土化合物层沉积。温度为25℃，PH值3，时间2小时，取出后热风吹干。盐雾腐蚀28天，涂层表面未见明显腐蚀产物。
在3.5wt.％NaCl溶液中进行电化学测试，结果表明经过表面处理的试样与未处理的试样相比，抗腐蚀性能大大提高，腐蚀电流密度从10-5A/cm2数量级，降低到10-8A/cm2数量级。
实施例31)复合材料依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再进行机械抛光。在丙酮溶液除油后，浸入硝酸和氢氟酸混合溶液(体积比3∶1)中活化20s；2)采用浓度为18.0％硫酸、1.5％草酸和0.03％硼酸混合液作为电解液，在2.0A/dm2，30℃下对复合材料进行1h阳极氧化，表面生成非晶氧化铝膜；
3)将制备好的氧化铝膜浸入1.0×10-3mol/L氯化亚铈+6ml/L双氧水+0.5ml/L丙三醇混合溶液中进行封孔和稀土化合物层沉积。温度为25℃，PH值3.5，时间1.5小时，取出后热风吹干。盐雾腐蚀28天，涂层表面未见明显腐蚀产物。
在3.5wt.％NaCl溶液中进行电化学测试，结果表明经过表面处理的试样与未处理的试样相比，抗腐蚀性能大大提高，腐蚀电流密度从10-5A/cm2数量级，降低到10-8A/cm2数量级。
实施例41)复合材料依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再进行机械抛光。在丙酮溶液除油后，浸入硝酸和氢氟酸混合溶液(体积比3∶1)中活化15s；2)采用浓度为17.0％硫酸、1.5％草酸和0.04％硼酸混合液作为电解液，在1.8A/dm2，25℃下对复合材料进行1.2h阳极氧化，表面生成非晶氧化铝膜；3)将制备好的氧化铝膜浸入1.1×10-3mol/L氯化亚铈+8ml/L双氧水+0.5ml/L丙三醇混合溶液中进行封孔和稀土化合物层沉积。温度为25℃，PH值2.5，时间1.5小时，取出后热风吹干。盐雾腐蚀28天，涂层表面未见明显腐蚀产物。
在3.5wt.％NaCl溶液中进行电化学测试，结果表明经过表面处理的试样与未处理的试样相比，抗腐蚀性能大大提高，腐蚀电流密度从10-5A/cm2数量级，降低到10-8A/cm2数量级。
权利要求
1.一种铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下(1)复合材料表面预处理采用抛光、除油和酸性活化，获得阳极氧化预处理表面；(2)复合材料阳极氧化采用硫酸、草酸和硼酸的混合溶液作为电解液，对原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料进行阳极氧化，在其表面生成一层非晶氧化铝膜；(3)氧化膜封孔和稀土化合物沉积采用稀土盐添加氧化剂和添加剂的混合溶液对氧化铝膜进行封闭处理，利用溶液中的化学反应封闭氧化铝膜的多孔层，同时在氧化铝膜表面沉积一层均匀、致密的非晶稀土化合物膜。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中，抛光方法为依次经过#180、#320、#600、#1000砂纸打磨抛光，再机械抛光。
3.根据权利要求1所述的铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中，除油所用的除油液为丙酮溶液。
4.根据权利要求1所述的铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中，酸性活化具体为采用硝酸、氢氟酸混合溶液，硝酸、氢氟酸体积比为3∶1，腐蚀时间为10-20s。
5.根据权利要求1所述的铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，其特征是，所述步骤(2)中，电解液采用去离子水配制，各成分所占质量百分含量为15.0-18.0％硫酸、1.0-2.0％草酸和0.03-0.05％硼酸。
6.根据权利要求1所述的铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，其特征是，所述步骤(2)中，阳极氧化工艺参数为电流密度为1.5-2.0A/dm2，氧化温度为10-30℃，氧化时间为1-1.5h。
7.根据权利要求1所述的铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，其特征是，所述步骤(3)中，稀土盐为硝酸亚铈或氯亚化铈，Ce3+离子浓度范围为1.0-1.2×10-3mol/L。
8.根据权利要求1所述的铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，其特征是，所述步骤(3)中，氧化剂为双氧水，浓度范围5-8ml/L。
9.根据权利要求1所述的铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，其特征是，所述步骤(3)中，添加剂为丙三醇，浓度为0.5ml/L。
10.根据权利要求1所述的铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，其特征是，所述步骤(3)中，氧化膜封孔和稀土化合物沉积工艺参数为，温度为25℃，PH值2.5-3.5，时间1-2小时。
全文摘要
一种材料工程技术领域的铝基复合材料表面耐蚀涂层的制备方法，步骤如下复合材料表面预处理采用抛光、除油和酸性活化，获得阳极氧化预处理表面；复合材料阳极氧化采用硫酸、草酸和硼酸的混合溶液作为电解液，对原位自生TiB
文档编号C23G5/00GK1986887SQ20061014764
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者孙焕焕, 王浩伟, 马乃恒, 陈东, 李险峰 申请人:上海交通大学