[發明專利]一種在鋯合金表面制備耐磨多孔氧化鋯陶瓷層的方法

有效

• 申請號: 201611059978.0
• 申請日: 2016-11-28
• 公開（公告）號: CN106702459B
• 公開（公告）日: 2018-07-27
• 發明（設計）人: 馬明臻;鐘華;李慕勤;張新宇;張世良;劉日平
• 申請（專利權）人: 燕山大學;佳木斯大學
• 主分類號: C25D11/26
• 分類號: C25D11/26
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產權事務所(普通合伙) 13116
• 代理人: 續京沙

一種在鋯合金表面制備耐磨多孔氧化鋯陶瓷層的方法，所述鋯合金的成分為Zr47Ti45Al5V3，其制備方法主要包括以下步驟：(1)鋯合金表面預處理；(2)配置微弧氧化電解液，其主要成分為Na₂SiO₃水溶液、Na₃PO₄、堿性電解質KOH和KF；(3)超聲微弧氧化處理，超聲波頻率為30kHz～60kHz、微弧氧化電壓為200V～500V、脈寬為100μs、脈沖頻率為500Hz，電解液溫度為40℃的條件下進行微弧氧化5min～60min，最后沖洗至鋯合金表面干凈，自然晾干。本發明工藝簡單，使用的設備造價低廉，制品工藝成本低，制備的鋯合金與核工業和醋酸工業使用的鋯合金相比，強度提高了108％，密度降低了12％左右，具有成為在航空航天以及艦船和海洋工程中有應用潛力的新型結構材料。

技術領域

本發明涉及一種材料表面改性方法，特別是一種鋯合金表面的改性方法。

背景技術

隨著人類社會的進步，科學技術水平的不斷發展，人類探索未知世界的越來越深入，與此同時，需要探索的環境也變得越來越苛刻，在保證服役材料正常工作的同時還需保證構件的服役壽命，傳統材料逐漸無法滿足對人們生產和科學研究中對材料綜合性能的要求，因此對于新材料的開發十分迫切。

鋯合金具有高熔點、較低的原子熱中子吸收截面以及很強的耐腐蝕性，已在核工業中得到廣泛的應用，其中，典型的合金牌號為Zr-2、Zr-4、Zr-1Nb、Zr-2.5Nb等。除此之外，由于鋯合金的耐腐蝕性能良好，在醋酸工業中也得到應用。這一類應用對鋯合金的力學性能要求不高，因此上述的各種牌號鋯合金的強度相對都比較低(如Zr-4合金的拉伸強度在650MPa，Zr-1Nb在450MPa左右)。由于鋯合金的高熔點、較低的密度、良好的耐腐蝕性能以及抗各種射線的輻照能力，在航空航天以及艦船和海洋工程中都具有廣闊的應用潛質。通過在金屬鋯中添加其它的金屬元素，可以有效提高鋯合金的強度，以滿足作為結構材料對力學性能的要求。但是用鋯合金制造齒輪、凸輪等具有相對運動的構件時，需要合金表面具有較高的硬度以提高抗摩擦磨損的能力。如果采用傳統合金鋼的淬火處理工藝，由于鋯合金在高溫條件下極易氧化，必須要在真空條件下進行加熱和淬火處理，否則無法得到預期的表面硬度，而這種真空淬火工藝過程復雜、真空淬火設備造價昂貴、對處理過程的環境要求苛刻，制造成本高。另外通過淬火處理雖然可以提高硬度，但會導致鋯合金的延伸率下降，使抗沖擊能力降低。因此，采用微弧氧化技術可以在鋯合金表明形成一層耐磨的多孔陶瓷層，從而改善和提高鋯合金的耐摩擦磨損能力，還可有效避免真空淬火的不足。本發明基于一種新型鋯合金(Zr47Ti45Al5V3)，通過微弧氧化技術進行表面改性，提高表面硬度，以滿足工程應用中對該材料表面硬度的要求。

發明內容

本發明的目的是提供一種工藝簡單、成本低廉、能夠改善和提高鋯合金的耐摩擦磨損能力的在鋯合金表面制備耐磨多孔氧化鋯陶瓷層的方法。本發明主要是用微弧氧化方法，使用以Na₂SiO₃和Na₃PO₄為主的電解液，通過不同的電壓以及氧化時間的工藝條件下，在新型鋯合金(Zr47Ti45Al5V3)的表面制備具有m-ZrO₂和t-ZrO₂混合晶型的多孔陶瓷層。

本發明的技術方案如下：

本發明制備的鋯合金(Zr47Ti45Al5V3)是使用工業級純度的海綿鋯、海綿鈦、鋁顆粒和釩塊，用自耗電弧爐熔煉三次，得到的合金鑄錠經過三鐓三拔后按加工要求加工成不同形狀不同尺寸的鋯合金。