[发明专利]一种在铝表面制备高纯度刚玉涂层的方法

说明书

技术领域

本发明属于表面防护领域，具体涉及一种利用等离子体微弧氧化技术在铝及其合金表面制备高纯度刚玉涂层的制备方法。

背景技术

铝及其合金是当前工业中应用最广泛的一类金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金的硬度，耐磨耐腐蚀等提出更高的需求。刚玉(α-Al₂O₃)的摩氏硬度为9，是迄今为止自然界中所发现的、硬度仅次于钻石的第二号高硬度物质，除此之外还具有耐高温、耐磨性好、耐腐蚀、强度高、高温绝缘性等特点。在铝合金表面生成一层含量刚玉成份的涂层，其成份含量越多，该涂层在耐磨性、高温绝缘、耐腐蚀等方面的性能则越优异。

通过等离子体微弧氧化技术可以在铝合金表面生成含量一定量刚玉的涂层，如北京师范大学薛文斌等人1998年在J.Am.Ceram.Soc81期1365-1368页撰文《Analysis of Phase Distribution for Ceramic Coatings Formed by Microarc Oxidation on Aluminum Alloy》分析了铝合金表面微弧氧化陶瓷层中的相贡献，他们所制备的涂层中刚玉的含量从内而外逐渐减少，在外层刚玉的含量仅仅为13％，整体的刚玉含量也仅仅40％；又如，英国剑桥大学的J.A.Curran等人2008年在Acta Materialia(SCI.1区)第9期1985-1993页发表论文《等离子体微弧氧化涂层中的空隙》(Porosity in plasma electrolytic oxide coatings)，展示了他们采用等离子体微弧氧化技术制备的高质量涂层，其中刚玉成份仅仅占有35％。不断研究工艺参数提高陶瓷层中刚玉的含量是当前微弧氧化研究的主要方向之一。

发明内容

本发明提供一种电学参数及电解液参数，利用等离子体微弧氧化技术(也叫等离子体电解氧化)在纯铝及其合金表面原位生成一层高纯度刚玉陶瓷层制备的方法。

等离子体微弧氧化是一种依靠火花放电，在置于电解液中的金属(Al、Mg、Ti等)样品表面，生成陶瓷层的涂层技术，所得到的涂层称为氧化陶瓷层，该方法处理过程工艺简单，环境污染少。对于特定金属组成，对其表面能持续进行等离子体微弧氧化处理的工艺参数要求是很严格的，传统的研究都是通过不断工艺探索来获得制备涂层的参数。然而本课题组对该过程的机理研究发现，在铝微弧氧化过程中，表面能否形成“三层结构的陶瓷层”是这种技术能持续处理的关键(相关机理的研究成果已经投往材料领域国际著名的杂志ActaMaterialia(SCI.1区))，实验采用的电流密度越大则越易形成这种三层结构；但从另一个角度看，大的电流密度会因为产热过多而使电解液温度上升过快等方面的不利因素。因此本发明中先采用15～30A/dm²的电流密度对工件进行前处理，构造出氧化陶瓷层的三层结构雏形，然后再采用5～15A/dm²的电流密度继续处理完成。目前还没见过其他科技文献或者专利中采用“前处理获得氧化陶瓷层雏形”的方法。采用这种方法，我们在传统等离子体微弧氧化处理工艺以外的电解液和电学参数下获得了一种高纯度刚玉涂层的制备方法。

本发明提供一种在铝表面制备高纯度刚玉涂层的方法，其特征在于：

先采用15～25A/dm²的大电流密度下前处理0.5～2分钟，再利用传统等离子体微弧氧化技术，电解液选用11.0～13.0g/L铝酸钠溶液，阳极为铝工件，阴极为纯铜板或不锈钢板；

等离子体微弧氧化工艺参数为：恒流脉冲电源，电流密度为5-15A/dm²，脉冲频率100～1000Hz，占空比为30～80％，电解液温度通过冷却系统保持在40℃以下，处理时间为10～60分钟。

具体包括以下步骤：

1)配置电解溶液：

将铝酸钠溶于蒸馏水中制备电解液，其浓度为11.0～13.0g/L；

2)将Al合金工件打磨、电化学抛光使表面粗糙度Ra达到1以上，并清洗干净；