[發明專利]一種利用線性/環形微等離子放電自平衡技術制備納米化涂層的方法

有效

• 申請號: 201811030180.2
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN109023469B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 張偉;邱驥;朱圣龍;李海波;王福會
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C25D11/06
• 分類號: C25D11/06;B82Y40/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種利用線性/環形微等離子放電自平衡技術制備納米化涂層的方法，屬于金屬表面處理技術領域。該方法以鋁合金或鋁基復合材料為基體材料，并利用線性/環形微等離子放電自平衡技術，在鋁合金表面構建了線性/環形微弧氧化等離子放電火花，從而在基體材料表面制備了納米尺度單致密微弧氧化涂層。利用此方法制備的納米化陶瓷涂層兼具良好抗腐蝕、耐磨性并具有極高的硬度，解決了傳統微弧氧化處理技術制備的涂層，存在較厚的疏松層，且硬質相α?Al₂O₃含量較低，無法實現高耐磨性、硬度、耐腐蝕以及良好的結合力等要求。

技術領域

本發明涉及金屬表面處理技術領域，具體為一種利用線性/環形微等離子放電自平衡技術制備納米化涂層的方法。

背景技術

微弧氧化等離子束技術是在陽極氧化基礎上發展起來的，其目的是在鋁合金材料表面制備硬度高、耐磨、耐蝕等優點的陶瓷層，是一種有效的鋁合金零部件表面強化新技術。微弧氧化條件下形成的鋁氧化物陶瓷層與基體形成冶金結合，結合力大，硬度高。傳統微弧氧化等離子束技術所形成的陶瓷膜層通常由致密層和疏松層組成，疏松層的硬度、耐磨性、耐蝕性等較致密層差距較大。由于疏松層的存在導致傳統微弧氧化技術對裝備的硬度、耐磨性等性能提升有限，甚至脫離的疏松層常常是引發裝備事故的“源頭”。目前，由于微弧氧化表面陶瓷層造型工藝研究不夠深入，陶瓷層中疏松層所占比例較大，有些工藝處理的疏松層甚至達到總厚的60％，這不僅影響陶瓷層的性能，同時，也存在很大的能源浪費。

研究表明，微弧氧化等離子束膜層之所以具有良好的綜合性能，是由于等離子體的局部加熱作用(據推算局部溫度大于8000K)，使微弧氧化等離子束膜層除含γ-Al₂O₃、α-AlO(OH)及短程有序的非晶組織外，還包括高溫轉變相剛玉α-Al₂O₃，剛玉的含量對膜層的硬度至關重要。通過對陶瓷膜層掃描電鏡觀察，發現微弧氧化等離子束膜層由致密層和疏松層構成。其中，致密層的晶粒細小，主要由α-Al₂O₃相組成，且與基體緊密結合，該膜層的硬度最大，最高可達到2500HV，是真正起到耐磨作用的功能層；然而，其表面的疏松層晶粒粗大，并存在許多孔洞?？锥粗車钟性S多微裂縫向內擴展，且其主要成分一般為γ-Al₂O₃，導致表面硬度較低，耐磨性能變差。

為了提高微弧氧化等離子束膜表層的硬度和耐磨性，國外學者試圖通過提高致密層和疏松層之間的厚度比例，降低疏松層的摩擦系數，提高表面硬度，實現疏松層的直接應用。其中，Juhi Baxi等人在低電流密度下制備出50微米單致密層，其硬度接近1000HV，然而由于其表面存在較大的沉積顆粒，粗糙度高達7.5，導致硬度分布不均勻，局部硬度甚至低于700HV；而高電流密度下，膜層厚度雖然達到100微米，但疏松層和致密層兩者之間的比例提高為1:1，表面硬度和粗糙度反而進一步降低。另外，Aytekin Polat等人在含有NaF添加劑的體系中制備出的高硬度膜層，已將致密層和疏松層的比例最低控制為3：1，然而，由于膜層外表面粗糙，其摩擦系數仍然只能達到0.7。此外，英國的Ugur Malayoglu雖然通過引入鎢酸鹽和鉬酸鹽等能夠適當降低膜層的摩擦系數，最低達到0.5，但無法進一步提高致密層所占的比例和厚度，其外表層的硬度也低于1000HV。

關于如何提高致密層和疏松層的比例，Yerokhin等總結了致密層形成的膜厚條件。對于傳統的50Hz交流電源，致密層只有在陶瓷膜總膜厚達到35-50μm時才會形成，隨后隨著膜厚的增加逐漸增加，當膜厚達到200-250μm厚時致密層占比可達75％。通過優化電解液體系和電參數，在總膜厚為60-100μm時致密層占比可以達到75％-80％。目前，從國外的研究結果來看，只能將致密層與疏松層比例控制在4：1，制備超過60μm厚度的單致密層，實現其在耐磨條件下的直接應用存在很大困難。

發明內容