一步法制備黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層的方法與流程

本發明屬于金屬基體表面功能涂層制備技術領域，特別涉及一種鈦合金或者鋁合金表面黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層的微弧氧化制備方法。所制備的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層在醫療器械、航空航天與國防武器裝備等領域具有廣闊的應用前景。

背景技術：

鈦及其合金具有較高的比強度、耐腐蝕性、耐高溫及抗氧化性能，鋁及其合金也也具有較高的比強度、質量輕以及易加工等優異性能，因而兩者均是醫療器械、航空航天、國防武器裝備等工業領域的關鍵支撐材料。然而，鈦合金或者鋁合金的硬度低、耐磨損性較差，繼而在一定程度上限制了鈦合金和鋁合金在上述領域中的應用。此外，在這些領域中尤其是國防工業領域中的應用，為了達到武器裝備的低熱輻射效果、高隱蔽性以及醫療器械產品的裝飾性等目的，需要對鈦合金和鋁合金表面實施進一步的表面處理，制備一層黑色的陶瓷涂層。

針對上述鈦合金和鋁合金表面呈現出的應用問題，世界各國研究工作者也發展一系列針對鈦合金和鋁合金的表面處理技術，以期望能夠進一步擴大當前鈦合金和鋁合金材料的應用范圍，促進輕金屬表面處理技術的繁榮發展。清華大學的王松等人利用熱氧化技術在鈦合金表面生長了一層氧化鈦涂層，其表面硬度提高了1.5倍，其耐磨損性能也出現較大幅度的增加。此外，J.J.Candel等人利用激光熔覆技術在鈦合金表面制備了一層TiC_p復合涂層，結果表明鈦合金表面的顯微硬度有了大幅度的改善，但是仍然表現出較差的耐磨損性能。研究表明，相比于單一的氧化鈦涂層，氧化鈦/氧化鋁復合涂層具有更為優異的耐磨損性能，而且在苛刻環境作用下還具有較高的穩定性。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有技術很難一步制備出高硬度、高耐磨損的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層的問題，本發明提供了一種在鈦合金或者鋁合金表面制備一層具有較高硬度及耐磨損性能的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層的方法，且該制備方法具有工藝簡單、成本低廉、可大面積制備且對工件本身沒有特殊形狀的約束。

一步法制備黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層的方法，由以下步驟組成：

1)以鈦合金或鋁合金作為基體材料，進行除油清洗處理；

2)配置微弧氧化處理用的電解液；

3)采用高壓高頻雙極脈沖的微弧氧化電源，以步驟1)的基體材料為陽極，不銹鋼為陰極，將步驟2)所述的電解液加入微弧氧化電解槽內，調節相應的微弧氧化電源工藝參數并控制電解液溫度，反應一定時間后即可在基體材料表面獲得黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層；

所述的方法，步驟2)中，配置微弧氧化處理用的電解液為：當基體材料為鈦及其合金時，電解液為：5～10g/L的Na₂SiO₃、3～12g/L的(NaPO₃)₆、2～12g/L的NaAlO₂、2～10g/L的NH₄VO₃，使用NaOH調節電解液的pH值為8～11；當基體材料為鋁及其合金時，電解液為：5～10g/L的Na₂SiO₃、3～12g/L的(NaPO₃)₆、3～10g/L的Na₄TiO₄、2～10g/L的NH₄VO₃，使用NaOH調節電解液的pH值為8～11。

所述的方法，步驟2)中，當基體材料為鈦及其合金時，配置微弧氧化處理用的電解液為：采用6g/L的Na₂SiO₃、5g/L的(NaPO₃)₆、3g/L的NaAlO₂和3g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11。

所述的方法，步驟2)中，當基體材料為鈦及其合金時，配置微弧氧化處理用的電解液為：8g/L的Na₂SiO₃、10g/L的(NaPO₃)₆、5g/L的NaAlO₂和6g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11。

所述的方法，步驟2)中，當基體材料為鈦及其合金時，配置微弧氧化處理用的電解液為：采用5g/L的Na₂SiO₃、3g/L的(NaPO₃)₆、8g/L的NaAlO₂和8g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11。

所述的方法，步驟3)中，微弧氧化電源工藝參數為：正向電壓為350～500V；負向電壓為50～100V；正向占空比為10％～20％；負向占空比為10％～20％；頻率為500～900Hz；控制電解液溫度為25～40℃；微弧氧化反應時間為5～180min。。

本發明提出的一種黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層制備方法具有工藝簡單、成本低廉、可大面積制備且對工件本身沒有特殊形狀的約束的技術特點，所制備的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層具有較高的顯微硬度和耐磨損性能，可應用于航空航天、石油化工管道及國防武器裝備等領域。

本發明制備的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層可以通過以下手段進行結構與物相等表征：采用德國BRUKER Advance D8的X射線衍射儀(XRD)對樣品進行物相結構表征分析。

本發明提供的一種黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層的微弧氧化制備方法具有以下特點：

1)制備的復合陶瓷涂層大幅度地提高了材料的表面硬度，顯微硬度在800至2000HV，最高可達3000HV，大大超過熱處理后的高碳鋼、高合金鋼和高速工具鋼的硬度。

2)制備的復合陶瓷涂層具有良好的耐磨損性能、耐熱性、絕緣性能及抗腐蝕性，根本上克服了鋁、鈦合金材料在工業化應用中的缺點。

3)制備的復合陶瓷涂層與金屬基體之間具有較高的結合力，涂層致密均勻。

4)該方法工藝簡單、穩定可靠、操作方便、易于掌握、且對工件形狀沒有約束。

附圖說明

圖1為本發明中使用到的微弧氧化電解槽(市場購置的常規設備)工件裝夾示意圖；1空氣攪拌，2陰極，3陽極，4工件；

圖2為本發明中實施例1的方法所制備的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層外觀圖片；

圖3為本發明中實施例1的方法所制備的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層的XRD圖譜；

圖4為本發明中實施例1的方法所制備的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層耐磨損測試結果。

具體實施方式

以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。

實施例1

本發明的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層制備方法如下：

第一步，以Ti6Al4V鈦合金為基體材料，利用機加工手段加工成圓棒狀零件，依次用丙酮、無水乙醇以及蒸餾水超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，配置微弧氧化處理用的電解液，采用6g/L的Na₂SiO₃、5g/L的(NaPO₃)₆、3g/L的NaAlO₂和3g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11，形成微弧氧化用電解液倒入微弧氧化電解槽內；

第三步，將清洗干凈的鈦合金棒狀零件掛置到微弧氧化電解槽內，工件連接微弧氧化電源的陽極，不銹鋼電解槽連接微弧氧化電源的陰極，調節微弧氧化電源的工藝參數為：正向電壓為400V；負向電壓為50V；正向占空比為10％；負向占空比為10％；頻率為600Hz；控制電解液溫度為30℃；反應20min后即可在鈦合金棒材零件表面獲得一層黑色的氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層。

依照上述實施步驟制備的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層如附圖2所示。樣品表面的XRD圖譜如圖3所示，從圖中可以看出所制備的復合陶瓷涂層明顯含有氧化鈦和氧化鋁相。附圖4為制備的黑色的氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層耐磨損測試結果，表明其相比于鈦合金基體而言，耐磨損性能大幅度提高。

實施例2

本發明的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層制備方法如下：

第一步，以Ti6Al4V鈦合金為基體材料，利用機加工手段加工成圓棒狀零件，依次用丙酮、無水乙醇以及蒸餾水超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，配置微弧氧化處理用的電解液，采用8g/L的Na₂SiO₃、10g/L的(NaPO₃)₆、5g/L的NaAlO₂和6g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11，形成微弧氧化用電解液倒入微弧氧化電解槽內；

第三步，將清洗干凈的鈦合金棒狀零件掛置到微弧氧化電解槽內，工件連接微弧氧化電源的陽極，不銹鋼電解槽連接微弧氧化電源的陰極，調節微弧氧化電源的工藝參數為：正向電壓為500V；負向電壓為50V；正向占空比為15％；負向占空比為15％；頻率為700Hz；控制電解液溫度為30℃；反應20min后即可在鈦合金棒材零件表面獲得一層黑色的氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層。

實施例3

本發明的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層制備方法如下：

第一步，以Ti6Al4V鈦合金為基體材料，利用機加工手段加工成圓棒狀零件，依次用丙酮、無水乙醇以及蒸餾水超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，配置微弧氧化處理用的電解液，采用5g/L的Na₂SiO₃、3g/L的(NaPO₃)₆、8g/L的NaAlO₂和8g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11，形成微弧氧化用電解液倒入微弧氧化電解槽內；

第三步，將清洗干凈的鈦合金棒狀零件掛置到微弧氧化電解槽內，工件連接微弧氧化電源的陽極，不銹鋼電解槽連接微弧氧化電源的陰極，調節微弧氧化電源的工藝參數為：正向電壓為600V；負向電壓為50V；正向占空比為20％；負向占空比為20％；頻率為500Hz；控制電解液溫度為30℃；反應20min后即可在鈦合金棒材零件表面獲得一層黑色的氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層。

實施例4

本發明的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層制備方法如下：

第一步，以Ti6Al4V鈦合金為基體材料，利用機加工手段加工成圓棒狀零件，依次用丙酮、無水乙醇以及蒸餾水超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，配置微弧氧化處理用的電解液，采用10g/L的Na₂SiO₃、7g/L的(NaPO₃)₆、8g/L的NaAlO₂和10g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11，形成微弧氧化用電解液倒入微弧氧化電解槽內；

第三步，將清洗干凈的鈦合金棒狀零件掛置到微弧氧化電解槽內，工件連接微弧氧化電源的陽極，不銹鋼電解槽連接微弧氧化電源的陰極，調節微弧氧化電源的工藝參數為：正向電壓為400V；負向電壓為50V；正向占空比為20％；負向占空比為20％；頻率為800Hz；控制電解液溫度為30℃；反應20min后即可在鈦合金棒材零件表面獲得一層黑色的氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層。

實施例5

本發明的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層制備方法如下：

第一步，以7075鋁合金為基體材料，利用機加工手段加工成圓棒狀零件，依次用丙酮、無水乙醇以及蒸餾水超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，配置微弧氧化處理用的電解液，采用7g/L的Na₂SiO₃、5g/L的(NaPO₃)₆、5g/L的Na₄TiO₄和3g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11，形成微弧氧化用電解液倒入微弧氧化電解槽內；

第三步，將清洗干凈的鋁合金棒狀零件掛置到微弧氧化電解槽內，工件連接微弧氧化電源的陽極，不銹鋼電解槽連接微弧氧化電源的陰極，調節微弧氧化電源的工藝參數為：正向電壓為400V；負向電壓為50V；正向占空比為10％；負向占空比為10％；頻率為500Hz；控制電解液溫度為30℃；反應20min后即可在鋁合金棒材零件表面獲得一層黑色的氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層。

實施例6

本發明的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層制備方法如下：

第一步，以7075鋁合金為基體材料，利用機加工手段加工成圓棒狀零件，依次用丙酮、無水乙醇以及蒸餾水超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，配置微弧氧化處理用的電解液，采用5g/L的Na₂SiO₃、3g/L的(NaPO₃)₆、8g/L的Na₄TiO₄和5g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11，形成微弧氧化用電解液倒入微弧氧化電解槽內；

第三步，將清洗干凈的鋁合金棒狀零件掛置到微弧氧化電解槽內，工件連接微弧氧化電源的陽極，不銹鋼電解槽連接微弧氧化電源的陰極，調節微弧氧化電源的工藝參數為：正向電壓為500V；負向電壓為50V；正向占空比為15％；負向占空比為15％；頻率為600Hz；控制電解液溫度為30℃；反應20min后即可在鋁合金棒材零件表面獲得一層黑色的氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層。

實施例7

本發明的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層制備方法如下：

第一步，以7075鋁合金為基體材料，利用機加工手段加工成圓棒狀零件，依次用丙酮、無水乙醇以及蒸餾水超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，配置微弧氧化處理用的電解液，采用10g/L的Na₂SiO₃、7g/L的(NaPO₃)₆、8g/L的Na₄TiO₄和6g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11，形成微弧氧化用電解液倒入微弧氧化電解槽內；

第三步，將清洗干凈的鋁合金棒狀零件掛置到微弧氧化電解槽內，工件連接微弧氧化電源的陽極，不銹鋼電解槽連接微弧氧化電源的陰極，調節微弧氧化電源的工藝參數為：正向電壓為400V；負向電壓為50V；正向占空比為20％；負向占空比為20％；頻率為500Hz；控制電解液溫度為30℃；反應20min后即可在鋁合金棒材零件表面獲得一層黑色的氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層。

實施例8

本發明的黑色氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層制備方法如下：

第一步，以7075鋁合金為基體材料，利用機加工手段加工成圓棒狀零件，依次用丙酮、無水乙醇以及蒸餾水超聲清洗10min，晾干待用；

第二步，配置微弧氧化處理用的電解液，采用10g/L的Na₂SiO₃、9g/L的(NaPO₃)₆、10g/L的Na₄TiO₄和8g/L的NH₄VO₃，并使用NaOH調節電解液的pH值為8～11，形成微弧氧化用電解液倒入微弧氧化電解槽內；

第三步，將清洗干凈的鋁合金棒狀零件掛置到微弧氧化電解槽內，工件連接微弧氧化電源的陽極，不銹鋼電解槽連接微弧氧化電源的陰極，調節微弧氧化電源的工藝參數為：正向電壓為600V；負向電壓為100V；正向占空比為15％；負向占空比為15％；頻率為500Hz；控制電解液溫度為30℃；反應20min后即可在鋁合金棒材零件表面獲得一層黑色的氧化鈦/氧化鋁復合陶瓷涂層。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。