一种钛及钛合金表面黑色氧化膜层的制备方法技术

本发明专利技术提供一种钛及钛合金表面黑色氧化膜层的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：将钛及钛合金零件进行除油处理；步骤S2：将除油后的零件在去离子水中清洗；步骤S3：以清洗后的零件为阳极，不锈钢板为阴极，将零件浸入预先配制的微弧氧化溶液中，打开微弧氧化电源进行微弧氧化；步骤S4：将氧化完成后的零件取出，使用去离子水进行清洗，并用压缩空气吹干；其中，微弧氧化溶液包括：5

【技术实现步骤摘要】
一种钛及钛合金表面黑色氧化膜层的制备方法


[0001]本专利技术涉及换热器制造
，具体而言，涉及一种钛及钛合金表面黑色氧化膜层的制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金由于其高强度、质量轻、疲劳性能好、在高温条件下具有一定的耐腐蚀性能等特点，被广泛用于航空、航天、船舶等领域，微弧氧化工艺是在金属表面形成一层原位生长的陶瓷膜层，得到的膜层与基体结合力好、耐腐蚀性好，所以成为钛及其合金较为常见的一种表面改性技术。对钛合金进行表面改性主要是赋予其原本没有的性能，比如通过在微弧氧化膜层中加入硬质颗粒来提高其耐磨性或通过添加不同的着色盐改变其外观颜色。
[0003]微弧氧化技术由于其较高的氧化电压会在金属表面形成火花放电，通过火花放电在金属表面原位形成陶瓷膜层，这层陶瓷膜层为内层致密、外层疏松的多孔结构。由于膜层和基体冶金结合，所以膜层结合力好，而且由于其生成的是陶瓷膜层所以耐腐蚀性能较好，可以通过添加剂提高耐磨性的同时赋予其一定的装饰或功能作用。该技术的操作较为简单，对工件形状要求不高，而且处理时间短，可以实现自动化机械化生产。钛合金黑色微弧氧化膜层一方面可以达到装饰性膜层的作用，另一方面可以达到功能性膜层的作用，比如黑色微弧氧化膜层可以对钛合金基体起到一定的腐蚀耐磨防护作用，同时还有很好的消光性能，该膜层具有高吸光度和高发射率，可将其应用在武器制造、光学仪表盘、光学遥感系统、红外制导以及激光通讯等领域，有效提高系统的灵敏度和精确度。
[0004]钛合金材料广泛应用于现代飞机、舰船、武器等材料中，实现武器的轻量化，并且具有较好的耐蚀性，现有钛合金黑色氧化膜存在表面处理后在长期紫外光照射及摩擦等工况下易出现膜层褪色、磨白露底等现象，本专利技术中的黑色微弧氧化溶液，通过一步法微弧氧化工艺，在钛合金表面得到高黑度，高硬度，耐紫外老化的黑色微弧氧化膜层，该膜层所呈现出的黑色为膜层表面生成化合物的固有色泽，着色离子均匀分布在整个膜层中，不会随时间延长而变色或褪色，不需后处理，满足钛及钛合金工件使用过程中的消光与长寿命的需求。
[0005]中国专利CN200710188529.0公开了一种钛表面黑色氧化钛膜的制备方法，该方法采用两步法复合处理的方法在表面清洁的钛或钛合金试样表面制备黑色氧化膜。即将表面清洁的钛或钛合金试样经大气氧化、阳极氧化或微弧氧化，在钛或钛合金试样表面生成厚度大于0.01μm的氧化钛膜，对其表面生成氧化钛膜的试样经过水洗、烘干后，置于真空度大于5Pa的真空环境中或惰性气体为主的非氧化性气氛中进行热处理，在钛表面形成黑色的氧化钛膜。采用两步法处理，制备工艺复杂，得到的氧化膜膜层厚度较薄，且对热处理设备要求高。
[0006]中国专利CN200910113053.3公开了一种钛合金表面黑色氧化方法，该方法将经碱洗酸洗处理后的钛或钛合金工件放入由12～20g/L的硝酸钠、10～20g/L硫酸铵、2～8g/L硫酸锰、1～4g/L添加剂和去离子水组成的黑色氧化溶液中，在电流密度0.1～5A/dm2，电压10
～25V下氧化处理4～15min，其中添加剂可采用磺基水杨酸、乙二胺四乙酸等。氧化处理后将工件放入沸腾的去离子水中封闭处理，提高氧化膜的耐蚀性。其特点是操作简单，电压低，可以在人体安全电压范围内进行操作，能耗低，排放量少。缺点是得到的氧化层厚度不超过10μm，硬度不超过350HV。
[0007]文献《Ti
‑
6Al
‑
4V钛合金黑色氧化膜的制备工艺》中提出了一种钛合金黑色氧化膜的制备方法，表面与处理采用干式喷砂法，喷砂后对试样进行除油、水洗，之后进行黑色氧化处理，电解液主要由15～25g/L的重铬酸钾和5～8g/L的含有Mn2+和Ce3+的促进剂组成。工作电压15V，电流密度1A/dm2，氧化时间10min，可得到5.0～9.0μm的黑色氧化膜，膜层表面有大量微孔，膜层厚度均匀，结构致密，膜层由锐钛矿型TiO2和金红石型TiO2组成。工艺的主要缺点是溶液主要组分为重铬酸钾，对环境及人体健康危害较大。
[0008]此外，钛及钛合金表面黑色氧化膜层的黑度不足将会导致其抗紫外线老化性能不足，影响产品的使用寿命，而采用有机物染色的方法制备的黑色涂层其抗紫外老化性能较差，且工序较为复杂，膜层厚度较薄，难以满足实际使用工况的需要。

技术实现思路

[0009]本专利技术解决的问题是，现有技术中，对环境及人体的危害较大，钛及钛合金表面黑色氧化膜层的黑度不足将会导致其抗紫外线老化性能不足，影响产品的使用寿命，而采用有机物染色的方法制备的黑色涂层其抗紫外老化性能较差，且工序较为复杂，膜层厚度较薄，难以满足实际使用工况的需要，或者生产工艺中存在有毒物质，对环境及人体健康危害较大。
[0010]本专利技术公开了一种钛及钛合金表面黑色氧化膜层的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤S1：将钛及钛合金零件进行除油处理；
[0012]步骤S2：将除油后的钛及钛合金零件在去离子水中清洗；
[0013]步骤S3：以清洗后的钛及钛合金零件为阳极，不锈钢板为阴极，将钛及钛合金零件浸入预先配制的微弧氧化溶液中，打开微弧氧化电源进行微弧氧化；
[0014]步骤S4：将氧化完成后的钛及钛合金零件取出，使用去离子水进行清洗，并用压缩空气吹干；
[0015]其中，微弧氧化溶液包括：5
‑
30g/L的磷酸钠、2～20g/L的钒酸盐、2
‑
20g/L的氢氧化钠、5
‑
50g/L的三乙醇胺和去离子水。
[0016]按照L*a*b*色彩测量坐标衡量黑色维护氧化膜的黑度，制备出的氧化膜黑度可以达到lab≤40，具有良好的消光效果，且紫外老化600h测试后氧化膜无褪色现象。该黑色维护氧化膜制备方法可以实现钛及钛合金复杂形状工件的黑色氧化，可以显著提高工件的耐蚀性与耐磨性。
[0017]进一步的，所述钒酸盐为偏钒酸钠、偏钒酸铵、钒酸钠、钒酸铵中的一种或几种的混合物。
[0018]所述钒酸盐在微弧氧化溶液用于提供VO
3+
，其在电化学作用下产生VO2和V2O3可均匀地填充放电通道，从而保证了黑色氧化膜平整一致性，黑色氧化膜层给位置的厚度、电阻相近，从而使得所述黑色氧化膜层的结构均匀致密，具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
[0019]进一步的，在步骤S3进行微弧氧化的过程中，所述微弧氧化溶液的温度在10
‑
30
℃。
[0020]当微弧氧化时的温度高于上述范围时，会导致微弧氧化溶液消耗过快，提高零件的生产成本，还会导致零件与微弧氧化溶液界面的水汽过多，影响黑色氧化膜的成型效果，此外，温度过高还会导致黑色氧化膜层成长过快，从而导致黑色氧化膜的粗糙度过高，影响黑色氧化膜层与钛及钛合金零件的结合力，同时，过高的温度会使碱性微弧氧化溶液对氧化膜的溶解作用增强，导致黑色氧化膜层的厚度与硬度显著降低，且溶液易飞溅，黑色氧化膜层易被局部烧焦或击穿；当微弧氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛及钛合金表面黑色氧化膜层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将钛及钛合金零件进行除油处理；步骤S2：将除油后的钛及钛合金零件在去离子水中清洗；步骤S3：以清洗后的钛及钛合金零件为阳极，不锈钢板为阴极，将钛及钛合金零件浸入预先配制的微弧氧化溶液中，打开微弧氧化电源进行微弧氧化；步骤S4：将氧化完成后的钛及钛合金零件取出，使用去离子水进行清洗，并用压缩空气吹干；其中，微弧氧化溶液包括：5
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30g/L的磷酸钠、2～20g/L的钒酸盐、2
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20g/L的氢氧化钠、5
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50g/L的三乙醇胺和去离子水。2.如权利要求1所述的钛及钛合金表面黑色氧化膜层的制备方法，其特征在于，所述钒酸盐为偏钒酸钠、偏钒酸铵、钒酸钠、钒酸铵中的一种或几种的混合物。3.如权利要求1所述的钛及钛合金表面黑色氧化膜层的制备方法，其特征在于，在步骤S3进行微弧氧化的过程中，所述微弧氧化溶液的温度在10
‑
30℃。4.如权利要求1所述的钛及钛合金表面黑色氧化膜层的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，微弧氧化的电参数为：正向：电流密度2
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10A/dm2，占空比20％
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70％，频率200
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【专利技术属性】
技术研发人员：周洋，李龙博，张益豪，赵延飞，刘瑶瑶，
申请(专利权)人：洛阳船舶材料研究所中国船舶集团有限公司第七二五研究所，
类型：发明
国别省市：