一種基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法、產(chǎn)品與應(yīng)用

本發(fā)明屬于材料表面處理相關(guān)，更具體地，涉及一種基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法、產(chǎn)品與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鋁合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、較低的密度和較好的加工成形性，因而越來越多的用于海洋工程中。

2、合金化是鋁合金強(qiáng)化的主要方法之一。因此，高強(qiáng)鋁合金往往含有較高的合金元素，進(jìn)而導(dǎo)致了大量粗大第二相顆粒的產(chǎn)生。在海洋環(huán)境中，鋁合金中粗大第二相一般作為陰極，用于促進(jìn)鋁的陽極溶解，進(jìn)而導(dǎo)致局部腐蝕的萌生。這一過程是海洋環(huán)境中鋁合金腐蝕失效的主要方式，且極大抑制了鋁合金在海工領(lǐng)域的應(yīng)用。

3、微弧氧化技術(shù)是一種常見于鋁合金的電化學(xué)表面處理方法，可在其表面形成結(jié)合力優(yōu)異且化學(xué)惰性高的陶瓷氧化層，從而有效阻隔外界環(huán)境，以延緩對(duì)基體的腐蝕作用。同時(shí)，微弧氧化氧化層具有較高硬度和耐磨性能，可延長(zhǎng)合金零部件的使用壽命。作為濕化學(xué)方法，微弧氧化對(duì)于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的處理能力，且所得膜層具有優(yōu)異的硬度和耐磨性能；與此同時(shí)，微弧氧化還具有周期短、工藝簡(jiǎn)潔、環(huán)境友好、產(chǎn)品廉價(jià)等一系列優(yōu)勢(shì)。

4、遺憾的是，不同于鋁基體具有自鈍化能力以促進(jìn)等離子體放電現(xiàn)象，粗大第二相屬于陶瓷相，無相應(yīng)鈍化膜。尤其在微弧氧化過程中，第二相往往無法穩(wěn)定發(fā)生等離子體放電，且在周邊基體的逐步反應(yīng)和外加高電壓的耦合作用下，第二相最終脫落或者溶解，導(dǎo)致所得陶瓷膜層中出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)缺陷。因此，需要基于當(dāng)前高強(qiáng)鋁合金的微弧氧化處理工藝基礎(chǔ)上，亟需改進(jìn)相關(guān)工藝，實(shí)現(xiàn)微弧氧化在高強(qiáng)鋁合金的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，并促進(jìn)高強(qiáng)鋁合金在海洋工程領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供一種基于超聲輔助微弧氧化鋁合金陶瓷膜層的制備與應(yīng)用。該方法通過在微弧氧化的同時(shí)外加超聲輔助方法，促進(jìn)陶瓷膜層在第二相顆粒上形成，以抑制相關(guān)膜層缺陷的形成，從而減少膜層缺陷并提升其厚度，最終實(shí)現(xiàn)其耐蝕性能的有效提升，由此解決現(xiàn)有技術(shù)中鋁合金微弧氧化膜層缺陷多且耐蝕性能低的技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法，所述方法包括：

3、以鋁合金作為微弧氧化的陽極，以惰性電極作為微弧氧化的陰極，置于堿性電解液中進(jìn)行微弧氧化；微弧氧化的同時(shí)對(duì)所述電解液進(jìn)行超聲處理；所述電解液的ph為8～9；

4、微弧氧化過程中通過外加超聲場(chǎng)的機(jī)械效應(yīng)，使電解液在鋁合金第二相顆粒上形成陶瓷膜層；并且通過外加超聲場(chǎng)的空化效應(yīng)增加等離子體放電位置并降低等離子放電的平均能量密度，使電解液中的離子在鋁合金表面生長(zhǎng)形成陶瓷膜層。

5、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述微弧氧化為恒流模式，工作電壓為300～600v，工作頻率為100～2500hz，電流密度為0.02～2.20a/cm2，占空比為5～70％，處理時(shí)間為2～40min，反應(yīng)溫度為4～40℃。

6、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述超聲處理的功率為50～800w，頻率為20～50khz。

7、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述電解液為氫氧化鉀與偏鋁酸鹽的混合溶液，或?yàn)闅溲趸浥c硅酸鹽的混合溶液。

8、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述電解液的濃度為0.005～0.20mol/l。

9、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述鋁合金為2024鋁合金、2a97鋁合金、2099鋁合金、5083鋁合金、6061鋁合金、6082鋁合金、7150鋁合金或7075鋁合金。

10、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述惰性電極為鉑片、石墨或不銹鋼；所述陽極和陰極的距離為3～20cm。

11、按照本發(fā)明的又一方面，如本發(fā)明一方面任一項(xiàng)所述的制備方法制得的鋁合金陶瓷膜層。

12、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述陶瓷膜層的厚度為1～60μm。

13、按照本發(fā)明的另一方面，如本發(fā)明又一方面所述的制備方法制得的帶有陶瓷膜層的鋁合金作為耐腐蝕鋁合金部件的應(yīng)用。

14、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

15、(1)本發(fā)明前針對(duì)高強(qiáng)鋁合金的微弧氧化處理工藝基礎(chǔ)上通過在微弧氧化的同時(shí)外加超聲輔助方法，提高電解液的傳質(zhì)能力，不僅加快鈍化層在鋁合金粗大第二相上的沉積以抑制對(duì)應(yīng)缺陷在陶瓷膜層中的產(chǎn)生，并且也加快陶瓷膜層在鋁合金表面的整體生長(zhǎng)過程；通過外加超聲場(chǎng)的空化效應(yīng)，引入預(yù)制微缺陷，以促進(jìn)等離子體放電位置增加并降低等離子放電(氣膜放電或膜層放電)的平均能量密度，保證微弧氧化陶瓷膜層的均勻、平穩(wěn)生長(zhǎng)，以獲得缺陷少、膜層厚且結(jié)合力好的陶瓷膜層。

16、(2)基于鋁合金陶瓷膜層的制備體系，其采用優(yōu)化的超聲處理，超聲功率過小，不利于第二相顆粒上鈍化膜的沉積，陶瓷膜層難以在該區(qū)域生長(zhǎng)，最終無法避免第二相相關(guān)缺陷；而超聲功率過大，則不利于第二相顆粒上沉積鈍化膜的穩(wěn)定，鈍化膜失穩(wěn)且抑制等離子體放電作用，將導(dǎo)致第二相相關(guān)缺陷的形成。

17、(3)本發(fā)明采用外加超聲輔助處理，僅需加裝已成熟的超聲發(fā)生裝置，即可配合現(xiàn)有微弧氧化流水線，實(shí)現(xiàn)超聲輔助微弧氧化處理。因此，當(dāng)前方案保留了微弧氧化本身所具有的一系列優(yōu)點(diǎn)，操作簡(jiǎn)單方便、對(duì)設(shè)備要求較低、有利于工業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。

18、(4)本發(fā)明相較于未超聲輔助的鋁合金陶瓷膜層制備工藝，僅需一步微弧氧化過程即可制備更厚的陶瓷膜層，且具有良好耐蝕性能的微弧氧化膜層。例如帶有陶瓷膜層的鋁合金可高效適用于高強(qiáng)鋁合金以顯著提升其耐海洋腐蝕性能。

19、綜上，在當(dāng)前針對(duì)高強(qiáng)鋁合金的微弧氧化處理工藝基礎(chǔ)上，改進(jìn)相關(guān)工藝，抑制第二相所導(dǎo)致膜層缺陷的形成，從而增強(qiáng)微弧氧化膜層的耐蝕性能，有利于微弧氧化在高強(qiáng)鋁合金的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，并促進(jìn)高強(qiáng)鋁合金在海洋工程領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法，其特征在于，所述方法包括：

2.如權(quán)利要求1所述的基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法，其特征在于，

3.如權(quán)利要求1所述的基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法，其特征在于，

4.如權(quán)利要求1所述的基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法，其特征在于，

5.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法，其特征在于，

6.如權(quán)利要求1所述的基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法，其特征在于，

7.如權(quán)利要求1所述的基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法，其特征在于，

8.如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的制備方法制得的鋁合金陶瓷膜層。

9.如權(quán)利要求8所述的鋁合金陶瓷膜層，其特征在于，所述陶瓷膜層的厚度為1～60μm。

10.如權(quán)利要求8所述的帶有陶瓷膜層的鋁合金作為耐腐蝕鋁合金部件的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于材料表面處理領(lǐng)域，公開了一種基于超聲輔助微弧氧化制備鋁合金陶瓷膜層的方法、產(chǎn)品與應(yīng)用。該方法包括：以鋁合金作為微弧氧化的陽極，以惰性電極作為微弧氧化的陰極，置于堿性電解液中進(jìn)行微弧氧化；微弧氧化的同時(shí)對(duì)電解液進(jìn)行超聲處理；電解液的pH為8～9。本發(fā)明的微弧氧化的同時(shí)對(duì)電解液進(jìn)行超聲處理，最終在陽極表面原位生成的微弧氧化陶瓷膜層，成功規(guī)避了粗大第二相所導(dǎo)致的缺陷，極大提升其致密性。本發(fā)明制備的陶瓷膜層具有優(yōu)異的耐蝕性能，可作為高強(qiáng)鋁合金的表面處理方法。

技術(shù)研發(fā)人員：張欣欣,李宇恒,呂由
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30