[发明专利]铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层的制备方法

说明书

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℃)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℃。

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Zr(OH)₂胶体电解液，每升Zr(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Zr(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℃，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℃，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。