一种铝合金表面叠层陶瓷涂层的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种铝合金表面叠层陶瓷涂层的制备方法，包括基体处理、溶液配制、叠层陶瓷涂层的制备以及陶瓷层制备后处理；其中，所述溶液配制采用KOH‑Na

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金表面叠层陶瓷涂层的制备方法
本专利技术涉及表面处理
，具体涉及一种铝合金表面叠层陶瓷涂层的制备方法。
技术介绍
随着轻量化技术的发展，铝合金替代钢结构件可以实现减重60％以上，因此在武器装备、航空航天等领域得到广泛的应用，也是近年来研究的热点。但由于铝合金存在熔点低、传热快、高温易氧化、不耐磨损等缺陷，严重制约了铝合金的使用范围；目前，短期内通过合金化提高铝合金的各项性能的难度较大、成本较高，因此，在在铝合金表面制备功能性陶瓷涂层成为了人们解决铝合金自身缺陷问题的一个重要突破口。SiC具有离子键和共价键结构，键能高，原子间结合力强，表面自由能低，原子间距小，堆积致密，无自由电子运动；因此导致SiC具有高熔点、高硬度（SiC莫氏硬度达到9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级））度、高刚度、高耐磨性、高绝缘绝热能力、低热导率、较小热膨胀系数和无延展性等特点，使得SiC陶瓷材料非常适合耐磨、防腐及隔热耐烧蚀等工业领域的应用。但是，现有技术中在合金材料上制备SiC陶瓷颗粒通常需要高温烧结，由于铝合金熔点较低、进行高温烧结时会不可避免的出现熔融，从而导致铝合金元件制备陶瓷层时产生形变、需要进行二次塑形，无法精准匹配武器装备、航空、航天等领域的高精密仪器。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种铝合金表面叠层陶瓷涂层的制备方法，通过在铝合金工件表面制备SiC-Al2O3的叠层陶瓷涂层（其中内层为Al2O3陶瓷层、外层为SiC陶瓷层），克服了铝合金自身的缺陷，提高了陶瓷涂层的制备效率、致密性以及结合强度，从而进一步拓展了铝合金元件在武器装备、航空航天等领域的应用范围。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种铝合金表面叠层陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：a、基体处理：采用超声波清洗仪对铝合金元件进行除尘、除油清洗，再去除氧化膜，处理后用去离子水进行清洗，然后进行碱洗；b、溶液配制：在不锈钢溶液槽中加入KOH-Na2SiO3-(NaPO3)6-Na2WO4为主要成分的去离子水溶液，然后再加入碱性硅溶胶溶液、水溶性酚醛树脂以及纳米SiC颗粒，持续搅拌以使各成分充分溶解到去离子水中；c、叠层陶瓷涂层的制备：根据铝合金元件的结构特征设计专用工装，然后将铝合金元件装夹于高压直流脉冲电源的阳极，放在不锈钢溶液槽中的专用工装上，不锈钢溶液槽连接电源阴极，调节高压直流脉冲电源参数、进行SiC-Al2O3的叠层陶瓷涂层的制备，涂层制备过程中需同时加入正、负向电压，从而得到内层为Al2O3陶瓷层、外层为SiC陶瓷层的SiC-Al2O3叠层陶瓷涂层；d、陶瓷层制备后处理：将步骤c中得到SiC-Al2O3叠层陶瓷层后的铝合金元件进行水洗和吹干。本领域技术人员可知，SiC水溶性差，若直接在铝合金表面制备，需要通过高温烧蚀，而高温会导致铝合金熔融、从而导致铝合金工件发生形变；同时，由于SiC的晶体与化学键特性、其较难吸附在氧化铝薄膜上，若直接进行SiC陶瓷层与Al2O3陶瓷层的复合，会导致SiC陶瓷层与Al2O3陶瓷层之间结合力低、易剥落，甚至Al2O3陶瓷层表面根本无法形成SiC陶瓷层的情况。本专利技术采用KOH-Na2SiO3-(NaPO3)6-Na2WO4为主要成分的去离子水溶液以及碱性硅溶胶溶液、水溶性酚醛树脂和纳米SiC颗粒混合作为溶剂，通过控制高压直流脉冲电源参数，首先在铝合金工件上微弧氧化产生Al2O3陶瓷层，然后通过氧化硅的正极性作用吸附在Al2O3陶瓷层上，同时由于微弧氧化中的电弧烧蚀作用导致氧化硅碳化生成SiC（氧化硅在被吸附的同时也吸附少量的SiC颗粒以及水溶性酚醛树脂中的碳源、吸附的SiC颗粒增强了碳化生成的SiC陶瓷层的致密性），并且，由于氧化硅吸附时填充了Al2O3陶瓷层中的微孔、导致碳化后的SiC也原位填充Al2O3陶瓷层中的微孔、达到封孔的目的，从而保证在Al2O3陶瓷层的微孔处以及表面生成致密、结合强度高的SiC陶瓷层，避免SiC陶瓷层的剥离、脱落。并且，由于Al2O3陶瓷层为铝合金工件上原位生成的陶瓷层，因此，复合陶瓷层与铝合金工件的结合强度高。本专利技术制备SiC-Al2O3的复合陶瓷涂层（即内层为Al2O3陶瓷层、外层为SiC陶瓷层）采用一次微弧氧化工艺即制得两层结合强度高的陶瓷层、无需后续处理工艺进行处理，制备效率高、速率快，大大节省了制备时间、降低了制备中的能耗以及成本。作进一步优化，所述步骤a中去除氧化膜处理的具体步骤为：采用H3PO4与Al(OH)3反应，得到磷酸二氢铝溶胶的水溶液处理液，将超声波清洗仪清洗后的铝合金元件浸入溶液中2～3min，以除去铝合金表面的氧化皮。作进一步优化，所述步骤a中碱洗的具体步骤为：将去除氧化膜以及用去离子水清洗后的铝合金侵入浓度为10～20g/L的NaOH溶液进行表面碱洗和钝化，侵入时间为3～10min。作进一步优化，所述步骤b中KOH、Na2SiO3、(NaPO3)6、Na2WO4的浓度分别为3～8g/L、8～16g/L、5～12g/L以及6～15g/L。作进一步优化，所述步骤b中碱性硅溶胶溶液的浓度为30～90ml/L。作进一步优化，所述步骤b中碱性硅溶胶溶液的pH值为7～10。作进一步优化，所述步骤b中碱性硅溶胶溶液中含有含量30％及以上、粒径小于20nm的SiO2颗粒。作进一步优化，所述步骤b中水溶性酚醛树脂的浓度为10～50g/L。作进一步优化，所述步骤b中纳米SiC颗粒的浓度为5～30g/L。作进一步优化，所述步骤b中去离子水水质为10MΩ•cm@25℃及以上。作进一步优化，所述步骤b中的去离子水能采用高纯度蒸馏水进行替代、所述高纯度蒸馏水为三次蒸馏及以上的水。作进一步优化，所述步骤b中不锈钢溶液槽为导电不锈钢材质，且其具有充分的冷却能力，能保证制备过程中溶液温度保持在30℃以下。作进一步优化，所述步骤c中高压直流脉冲电源为正负电压可调、正负脉冲比可调、正负脉冲脉宽可调以及频率可调的专用高电压直流脉冲电源；且高压直流脉冲电源的设备正负电压均在700V以上。作进一步优化，所述步骤c中高压直流脉冲电源工艺参数具体为：电流密度为3～8A/dm2；频率为700～1200Hz；正脉冲的脉宽为0～80％，正、负脉冲之比为1:1或1:2或2:1中的任一种；正、负电压均在10～700V之间，正、负电压比为3:1，处理时间10～30min。优选的，所述正脉冲的脉宽为20％～50％。作进一步优化，所述步骤d中采用去离子水或蒸馏水进行清洗，采用电吹风进行吹干。作进一步优化，所述步骤d中制得的SiC-Al2O3的叠层陶瓷层厚度为50～400μm。本专利技术具有如下技术效果：本专利技术通过在铝合金元件表面制备出SiC-Al2O3叠层陶瓷涂层，保证铝合金元件具有较好的耐磨损、防腐蚀及隔热耐烧蚀功能，本专利技术方法采用一次工艺即得到两层薄膜，制备效率高，提高铝合金元件表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝合金表面叠层陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/na、基体处理：采用超声波清洗仪对铝合金元件进行除尘、除油清洗，再去除氧化膜，处理后用去离子水进行清洗，然后进行碱洗；/nb、溶液配制：在不锈钢溶液槽中加入KOH-Na

【技术特征摘要】
1.一种铝合金表面叠层陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、基体处理：采用超声波清洗仪对铝合金元件进行除尘、除油清洗，再去除氧化膜，处理后用去离子水进行清洗，然后进行碱洗；
b、溶液配制：在不锈钢溶液槽中加入KOH-Na2SiO3-(NaPO3)6-Na2WO4为主要成分的去离子水溶液，然后再加入碱性硅溶胶溶液、水溶性酚醛树脂以及纳米SiC颗粒，持续搅拌以使各成分充分溶解到去离子水中；
c、叠层陶瓷涂层的制备：根据铝合金元件的结构特征设计专用工装，然后将铝合金元件装夹于高压直流脉冲电源的阳极，放在不锈钢溶液槽中的专用工装上，不锈钢溶液槽连接电源阴极，调节高压直流脉冲电源参数、进行SiC-Al2O3的叠层陶瓷涂层的制备，涂层制备过程中需同时加入正、负向电压，从而得到内层为Al2O3陶瓷层、外层为SiC陶瓷层的SiC-Al2O3叠层陶瓷涂层；
d、陶瓷层制备后处理：将步骤c中得到SiC-Al2O3叠层陶瓷层后的铝合金元件进行水洗和吹干。


2.根据权利要求1所述的一种铝合金表面叠层陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤a中去除氧化膜处理的具体步骤为：可采用H3PO4与Al(OH)3反应，得到磷酸二氢铝溶胶的水溶液处理液，将超声波清洗仪清洗后的铝合金元件浸入溶液中2～3min，以除去铝合金表面的氧化皮。


3.根据权利要求1所述的一种铝合金表面叠层陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤a中碱洗的具体步骤为：将去除氧化膜以及用去离子水清洗后的铝合金侵入浓度为10～20g/L的NaOH溶液进行表面碱洗和钝化，侵入时间可为3～10min。

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【专利技术属性】
技术研发人员：陈海涛，吴护林，李忠盛，丛大龙，张敏，宋凯强，何庆兵，李立，
申请(专利权)人：中国兵器工业第五九研究所，
类型：发明
国别省市：重庆;50