有色金屬表面氧化物陶瓷涂層成分可控的微弧氧化方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于有色金屬表面處理技術領域，具體涉及一種有色金屬表面氧化物陶瓷 涂層成分可控的微弧氧化方法。
【背景技術】
[0002] 微弧氧化（ΜΑ0)技術最早源于20世紀30年代德國科學家Giintherschlze和Betz 對金屬陽極極化時火花放電現象的研究，但是直到20世紀70年代前蘇聯科學家A. M0PK0S 才正確地認識了這種火花放電現象。火花放電的結果導致電極表面上形成具有較高保護性 能的陶瓷膜，這種方法稱為微弧氧化或微等離子體氧化等。由于這種技術在材料制備上工 藝簡單，容易實現，所以引起越來越多的專家、學者的關注，成為國際材料科學研究的熱點 之一。
[0003] 微弧氧化技術是指利用弧光放電增強并激活在工件陽極上發生的微等離子氧化 反應，從而在以鋁、鈦、鎂等金屬及其合金為材料的工件表面原位生成優質的強化陶瓷膜。 微弧氧化技術是近幾年國內外發展較快的一項高新技術，通過在工件上施加電壓，突破傳 統的陽極氧化電流、電壓法拉第區域的限制。陽極電位由幾十伏提高到幾百伏。在一定電 流密度下，致使在工件表面出現電暈、輝光、微弧放電，甚至火花斑，使工件表面在微弧等離 子體高溫高壓下與電解質溶液相互作用形成陶瓷膜，進而達到工件表面改性強化。這種陶 瓷膜與基體屬冶金結合，結合強度好，硬度高，具有很好的耐磨、耐腐蝕、耐高壓絕緣和抗高 溫沖擊等特性，可以大幅提高工件的使用壽命。但是微弧氧化制備涂層過程中，由于微弧氧 化陶瓷涂層成分主要以基體材料的氧化物為主，同時含有部分電解液中陰離子形成的氧化 物。不同成分的氧化物陶瓷涂層性能有很大的差異，通過涂層成分調控能夠改善涂層的相 關性能；常規微弧氧化方法下氧化物陶瓷層的成分難以有效調控，那么實現微弧氧化陶瓷 涂層成分的有效調控將會進一步擴大微弧氧化技術的應用范圍。在微弧氧化槽中設置反滲 透膜系統，在氧化過程中通過利用反滲透膜對電解液中的離子進行定向選擇，使所選離子 不斷在工件周圍富集，從而進行氧化物陶瓷涂層成分調控的研究未見相關報道。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種有色金屬表 面氧化物陶瓷涂層成分可控的微弧氧化方法。該方法采用反滲透技術和微弧氧化技術相結 合的方法制備氧化物陶瓷涂層，涂層成分調控方法簡便、投入成本低且使用效果好，實用價 值高，能夠有效實現陶瓷涂層成分的選擇性調控，能有效改善目前微弧氧化陶瓷層性能。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種有色金屬表面氧化物陶瓷 涂層成分可控的微弧氧化方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0006] 步驟一、選擇第一反滲透膜和第二反滲透膜；所選擇的第一反滲透膜的孔徑隊滿 足：2RX< D # 2. 2R x，所選擇的第二反滲透膜的孔徑D2滿足：D 2< 2R x，所述Rx為待沉積元 素的可溶性鹽的離子半徑，Rx的單位為埃；
[0007] 步驟二、利用步驟一中所選擇的第一反滲透膜和第二反滲透膜將微弧氧化槽分隔 為三個工作區：第一非氧化工作區、氧化工作區和第二非氧化工作區，所述氧化工作區位于 第一反滲透膜和第二反滲透膜之間，所述第一非氧化工作區位于第一反滲透膜的左側，所 述第二非氧化工作區位于第二反滲透膜的右側；
[0008] 步驟三、采用管路將步驟二中所述第一非氧化工作區和第二非氧化工作區連通， 并在管路上設置壓力栗，然后將電解液加入微弧氧化槽中，將陽極、第一陰極和第二陰極插 設于氧化工作區內并浸入電解液中，之后利用壓力栗使電解液發生定向流動，利用第一反 滲透膜和第二反滲透膜對電解液進行離子選擇；所述離子選擇的時間為20min~60min，所 述陽極的材質為有色金屬，所述第一陰極和第二陰極均與陽極平行相對設置；
[0009] 步驟四、在保持步驟三中所述電解液定向流動的條件下，進行微弧氧化處理 lOmin~60min，在陽極表面得到氧化物陶瓷涂層。
[0010] 上述的有色金屬表面氧化物陶瓷涂層成分可控的微弧氧化方法，其特征在于，步 驟三中所述陽極的材質為鎂、鎂合金、鋁、鋁合金、鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、鈮、鈮合金、鉭或 鉭合金。
[0011] 上述的有色金屬表面氧化物陶瓷涂層成分可控的微弧氧化方法，其特征在于，步 驟三中所述第一陰極和第二陰極的材質均為不銹鋼。
[0012] 上述的有色金屬表面氧化物陶瓷涂層成分可控的微弧氧化方法，其特征在于，步 驟三中所述電解液由氫氧化鈉、無機鹽和去離子水混合均勻而成，其中氫氧化鈉的濃度為 lg/L~15g/L，無機鹽的濃度為5g/L~30g/L，所述無機鹽為鋁酸鈉、硅酸鈉、氟鋯酸鉀、鎢 酸鈉或偏釩酸銨。
[0013] 上述的有色金屬表面氧化物陶瓷涂層成分可控的微弧氧化方法，其特征在于，步 驟四中所述微弧氧化處理的工藝參數為：電壓300V~450V，脈沖頻率100Hz~600Hz，占空 比5%~20%，電解液的溫度15°C~30°C。
[0014] 本發明的工作原理為：在微弧氧化之前，首先利用壓力栗使電解液發生定向循環 流動，電解液在壓力的作用下先通過設置在微弧氧化槽中的第一反滲透膜，第一反滲透膜 對電解液中的離子依據離子半徑的大小進行離子篩選，使電解液中所選離子通過后到達氧 化工作區，隨后在第二反滲透膜作用下將所選離子不斷阻擋，富集于工作區，從而實現電解 液中的離子進行定向選擇，使得所選離子不斷在工件周圍富集，最終經微弧氧化處理后，在 有色金屬陽極基體表面實現氧化物陶瓷涂層成分的調控。
[0015] 本發明與現有技術相比具有以下優點：
[0016] 1、本發明采用微弧氧化法制備氧化物陶瓷涂層的過程中，利用反滲透膜對電解液 中的離子進行定向選擇，有效的實現了涂層成分的選擇性調控。
[0017] 2、本發明采用反滲透技術和微弧氧化技術相結合的方法制備氧化物陶瓷涂層，涂 層成分調控方法簡便且容易實現，使用設備簡單且投入成本低。
[0018] 3、本發明技術推廣利用前景廣泛，能有效推廣適用至需要進行微弧氧化陶瓷層成 分選擇性調控的技術場合。
[0019] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明有色金屬表面氧化物陶瓷涂層成分可控的微弧氧化過程示意圖。
[0021] 附圖標記說明：
[0022] 1-1 -第一非氧化工作區； 1-2-氧化工作區；
[0023] 1-3-第二非氧化工作區； 2-1-第一反滲透膜；
[0024] 2-2一第二反滲透膜； 3_1-第一陰極；
[0025] 3-2-第二陰極； 4一陽極；
[0026] 5一壓力栗； 6-管路；
[0027] 7-電解液。
【具體實施方式】 [0028] 實施例1
[0029] 本實施例采用反滲透技術和微弧氧化技術相結合的方法，在有色金屬表面制備氧 化物陶瓷涂層，所述有色金屬為鎂。結合圖1，本實施例有色金屬表面制備氧化物陶瓷涂層 成分可控的微弧氧化方法包括以下步驟：
[0030] 步驟一、選擇第一反滲透膜2-1和第二反滲透膜2-2 ;所選擇的第一反滲透膜2-1 的孔徑Di滿足：2R D A 2. 2R x，所選擇的第二反滲透膜2-2的孔徑D2滿足：D 2< 2R x，所 述Rx為待沉積元素的可溶性鹽的離子半徑，Rx的單位為埃；本實施例中待沉積元素為鋁，鋁 酸鹽離子半徑Rx= 2. 5埃，故選擇的第一反滲透膜2-1的孔徑為5埃，選擇的第二反滲透 膜2-2的孔徑為3埃；
[0031] 具體操作過程中，可將第一反滲透膜2-1和第二反滲透膜2-2設計為多層結構，采 用層層過濾的方法提高離子選擇的準確率和選擇效率。
[0032] 步驟二、利用步驟一中所選擇的第一反滲透膜2-1和第二反滲透膜2-2將微弧氧 化槽分隔為三個工作區：第一非氧化工作區1-1、氧化工作區1-2和第二非氧化工作區1-3， 所述氧化工作區1-2位于第一反滲透膜2-1和第二反滲透膜2-2之間，所述第一非氧化工 作區1-1位于第一反滲透膜2-1的左側，所述第二非氧化工作區1-3位于第二反滲透膜2-2 的右側；
[0033] 步驟三、采用管路6將步驟二中所述第一非氧化工作區1-1和第二非氧化工作區 1-3連通，并在管路6上設置壓力栗5,然后將電解液7加入微弧氧化槽中，將陽極4、第一陰 極3-1和第二陰極3-2插設于氧化工作區1-2內并浸入電解液7中，之后利用壓力栗5使 電解液7發生定向流動，利用第一反滲透膜2-1和第二反滲透膜2-2對電解液7進行離子 選擇；所述離子選擇的時間為40min，所述陽極4的材質為鎂，所述第一陰極3-1和第二陰 極3-2的材質均為不銹鋼，所述第一陰極3-1和第二陰極3-2均與陽極4平行相對設置；所 述電解液7由氫氧化鈉、無機鹽和去離子水混合均勻而成，其中氫氧化鈉的濃度為10g/L， 無機鹽的濃度為20g/L，所述無機鹽為鋁酸鈉；
[0034] 步驟四、在保持步驟三中所述電解液7定向流動的條件下，通電進行微弧氧化處 理20min，微弧氧化處理的工藝參數為：電壓400V，脈