阅读说明：本技术 一种铝合金表面臭氧处理的微弧氧化涂层的制备方法 (Preparation method of ozone-treated micro-arc oxidation coating on surface of aluminum alloy ) 是由 吕迎 李俊刚 黄金侠 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：一种铝合金表面臭氧处理的微弧氧化涂层的制备方法,本发明涉及材料表面处理技术领域,具体涉及一种铝合金表面臭氧处理的微弧氧化涂层的制备方法。本发明是要解决铝合金存在的硬度低、耐磨性差、耐蚀性受限、熔点低等缺点,降低其耐磨损、耐腐蚀、抗高温冲击等使用性能的问题。方法：一、表面预处理；二、配制电解液；三、臭氧对电解液净化预处理；四、臭氧处理的微弧氧化涂层制备。本发明用于铝合金表面处理。(The invention discloses a preparation method of a micro-arc oxidation coating for ozone treatment on an aluminum alloy surface, relates to the technical field of material surface treatment, and particularly relates to a preparation method of a micro-arc oxidation coating for ozone treatment on an aluminum alloy surface. The invention aims to solve the defects of low hardness, poor wear resistance, limited corrosion resistance, low melting point and the like of the aluminum alloy and reduce the service performance of the aluminum alloy such as wear resistance, corrosion resistance, high-temperature impact resistance and the like. The method comprises the following steps: firstly, surface pretreatment; secondly, preparing electrolyte; thirdly, purifying and pretreating the electrolyte by ozone; fourthly, preparing the micro-arc oxidation coating treated by ozone. The method is used for surface treatment of the aluminum alloy.)

一种铝合金表面臭氧处理的微弧氧化涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及材料表面处理技术领域，具体涉及一种铝合金表面臭氧处理的微弧氧化涂层的制备方法。

背景技术

铝及铝合金是一种银白色的轻金属，具有密度小、导电和导热性好、易于加工等优点，不仅在航空、航天以及军事领域方面有着广泛的应用，而且在通讯电子、建筑和交通运输等领域均有很大的发展前景，是目前使用率仅次于钢铁的金属结构材料。但铝及铝合金的熔点低、硬度低、耐磨性差；虽然铝表面在常温下形成一层稳定的Al₂O₃膜，但其厚度仅有5～13nm，在大气、淡水及硝酸环境中具有一定的耐蚀性，但对某些应用场合的耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗温度急变及耐高温气流冲刷的需求更无法满足。这些缺点限制了铝及合金的应用范围。

采用表面改性技术是提高铝及铝合金综合性能的有效途径之一。铝及铝合金传统的表面处理方法很多，根据工艺的不同，可分为阳极氧化、化学氧化、电镀和热喷涂等，其中以阳极氧化和电镀的应用较为广泛。但阳极氧化和电镀的预处理要求严格，并且阳极氧化膜比较薄、致密性差；电镀层必须进行特殊的中间处理，且均镀能力差、电镀工艺易污染环境。

发明内容

本发明是要解决铝合金存在的硬度低、耐磨性差、耐蚀性受限、熔点低等缺点，降低其耐磨损、耐腐蚀、抗高温冲击等使用性能的问题，而提供一种铝合金表面臭氧处理的微弧氧化涂层的制备方法。

一种铝合金表面臭氧处理的微弧氧化涂层的制备方法具体是按以下步骤进行：

一、表面预处理：将铝合金基材线切割成15mm×15mm×2mm的试样，然后使用微型钻床在试样边缘加工出直径为2mm的圆孔，得到铝合金试样；采用砂纸对铝合金试样的表面进行打磨，然后将铝合金放入装有丙酮的超声波清洗仪中超声清洗3min～5min，得到待氧化的铝合金试样；

二、配制电解液：按照20g/L～30g/LNa₃PO₄、5g/L～10g/LNa₂SiO₃、3g/L～5g/L KOH和3ml/L～5ml/L C₆H₁₈O₂₄P₆称取原料；依次将Na₃PO₄、Na₂SiO₃、KOH和C₆H₁₈O₂₄P₆加入到蒸馏水中，且每加入一种原料均采用磁力搅拌器搅拌1min～3min，得到电解液；

三、臭氧对电解液净化预处理：采用30kW双极性脉冲微弧氧化电源，将电解液倒入微弧氧化设备的不锈钢电解槽中，待氧化的铝合金试样挂在导电挂具上并使试样浸入电解液中；连接工作电极，试件接电源的正极作为阳极，电解槽接电源的负极作为阴极；多功能臭氧机接通电源后，将出气导管末端与曝气石连接好后浸入电解液中；然后顺时针转动旋钮，工作指示灯变为绿色，此时臭氧机进入工作状态，输入出臭氧量400mg/h～600mg/h，对电解液净化预处理3min～5min，完成臭氧对电解液净化预处理；

四、臭氧处理的微弧氧化涂层制备：接通微弧氧化设备电源，调控工艺参数，并采用多功能臭氧机在微弧氧化过程中向电解液中通入臭氧，在待氧化的铝合金试样表面制备微弧氧化涂层，微弧氧化结束后关闭电源，将制备好的试件取出，用自来水清洗表面后自然晾干，得到微弧氧化后的铝合金试样。

本发明的有益效果是：

本发明通过在磷酸钠系电解液中通入臭氧，在铝合金表面原位生成微弧氧化陶瓷涂层，具有工艺简单、成本低、处理效率高等优点，可明显提高铝合金的综合性能，拓宽其使用范围；该发明所述制备工艺亦可以对纯Al、Mg、Ti等有色金属进行表面防护处理。臭氧微弧氧化处理获得的涂层与铝合金基体相比，其腐蚀电位提高了0.259V，腐蚀电流降低一个数量级，耐蚀性最好。

附图说明

图1为微弧氧化涂层划痕法测试对比曲线；其中1表示未进行臭氧处理的微弧氧化铝合金试样，2表示实施例一得到的微弧氧化后的铝合金试样；

图2为铝合金基材的表面形貌图；

图3为未进行臭氧处理的微弧氧化铝合金试样的表面形貌图；

图4为实施例一得到的微弧氧化后的铝合金试样的表面形貌图；

图5为铝合金基材在3.5wt％的NaCl溶液中电化学腐蚀后的表面形貌图；

图6为未进行臭氧处理的微弧氧化铝合金试样在3.5wt％的NaCl溶液中电化学腐蚀后的表面形貌图；

图7为实施例一得到的微弧氧化后的铝合金试样在3.5wt％的NaCl溶液中电化学腐蚀后的表面形貌图；

图8为弧氧化涂层电化学腐蚀极化对比曲线；其中1表示未进行臭氧处理的微弧氧化铝合金试样，2表示实施例一得到的微弧氧化后的铝合金试样，3表示铝合金基材。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种铝合金表面臭氧处理的微弧氧化涂层的制备方法具体是按以下步骤进行：

一、表面预处理：将铝合金基材线切割成15mm×15mm×2mm的试样，然后使用微型钻床在试样边缘加工出直径为2mm的圆孔，得到铝合金试样；采用砂纸对铝合金试样的表面进行打磨，然后将铝合金放入装有丙酮的超声波清洗仪中超声清洗3min～5min，得到待氧化的铝合金试样；

二、配制电解液：按照20g/L～30g/LNa₃PO₄、5g/L～10g/LNa₂SiO₃、3g/L～5g/L KOH和3ml/L～5ml/L C₆H₁₈O₂₄P₆称取原料；依次将Na₃PO₄、Na₂SiO₃、KOH和C₆H₁₈O₂₄P₆加入到蒸馏水中，且每加入一种原料均采用磁力搅拌器搅拌1min～3min，得到电解液；

三、臭氧对电解液净化预处理：采用30kW双极性脉冲微弧氧化电源，将电解液倒入微弧氧化设备的不锈钢电解槽中，待氧化的铝合金试样挂在导电挂具上并使试样浸入电解液中；连接工作电极，试件接电源的正极作为阳极，电解槽接电源的负极作为阴极；多功能臭氧机接通电源后，将出气导管末端与曝气石连接好后浸入电解液中；然后顺时针转动旋钮，工作指示灯变为绿色，此时臭氧机进入工作状态，输入出臭氧量400mg/h～600mg/h，对电解液净化预处理3min～5min，完成臭氧对电解液净化预处理；

四、臭氧处理的微弧氧化涂层制备：接通微弧氧化设备电源，调控工艺参数，并采用多功能臭氧机在微弧氧化过程中向电解液中通入臭氧，在待氧化的铝合金试样表面制备微弧氧化涂层，微弧氧化结束后关闭电源，将制备好的试件取出，用自来水清洗表面后自然晾干，得到微弧氧化后的铝合金试样。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述铝合金基材为铸造铝硅合金，其化学成分由96wt.％Al和4wt.％Si组成。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述打磨是依次采用240目、500目、800目和1000目砂纸进行打磨。其他与具体实施方式一或二相同。

打磨的目的是去除表面的氧化膜以及污染物。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中待氧化的铝合金试样与导电挂具之间用铝丝连接，浸入电解液中的铝丝采用绝缘胶带包裹。其他与具体实施方式一至三之一相同。

采用绝缘胶带包裹的目的是防止连接处打火使铝丝断裂试样掉落。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四中所述工艺参数为：电压350V～450V，频率300～400Hz，占空比10％～15％。其他与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中所述臭氧处理时间10min～30min。其他与具体实施方式一至五之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

一种铝合金表面臭氧处理的微弧氧化涂层的制备方法具体是按以下步骤进行：

一、表面预处理：将铝合金基材线切割成15mm×15mm×2mm的试样，然后使用微型钻床在试样边缘加工出直径为2mm的圆孔，得到铝合金试样；采用砂纸对铝合金试样的表面进行打磨，然后将铝合金放入装有丙酮的超声波清洗仪中超声清洗3～5min，得到待氧化的铝合金试样；

二、配制电解液：按照25g/LNa₃PO₄、5g/LNa₂SiO₃、3g/L KOH和3ml/L C₆H₁₈O₂₄P₆称取原料；依次将Na₃PO₄、Na₂SiO₃、KOH和C₆H₁₈O₂₄P₆加入到蒸馏水中，且每加入一种原料均采用磁力搅拌器搅拌3min，得到电解液；

三、臭氧对电解液净化预处理：采用30kW双极性脉冲微弧氧化电源，将电解液倒入微弧氧化设备的不锈钢电解槽中，待氧化的铝合金试样挂在导电挂具上并使试样浸入电解液中；连接工作电极，试件接电源的正极作为阳极，电解槽接电源的负极作为阴极；多功能臭氧机接通电源后，将出气导管末端与曝气石连接好后浸入电解液中；然后顺时针转动旋钮，工作指示灯变为绿色，此时臭氧机进入工作状态，输入出臭氧量400mg/h～600mg/h，对电解液净化预处理5min，完成臭氧对电解液净化预处理；

四、臭氧处理的微弧氧化涂层制备：接通微弧氧化设备电源，调控工艺参数，并采用多功能臭氧机在微弧氧化过程中向电解液中通入臭氧，在待氧化的铝合金试样表面制备微弧氧化涂层，微弧氧化结束后关闭电源，将制备好的试件取出，用自来水清洗表面后自然晾干，得到微弧氧化后的铝合金试样；工艺参数为：电压400V，频率400Hz，占空比10％；臭氧处理时间15min。

采用划痕测试法评价涂层与基体结合力。当摩擦力曲线上发生突变并且伴随着较强的声发射信号时，就可将此时的载荷称为涂层连续剥落的临界载荷。图1为划痕法测得的无臭氧及臭氧处理的微弧氧化涂层的摩擦力与载荷关系曲线。可以看出，臭氧处理的微弧氧化涂层的临界载荷高于无臭氧处理的微弧氧化涂层。这是由于在微弧氧化电解液中通入臭氧后，臭氧在水中的溶解度比氧高13倍，形成臭氧水。臭氧的净化作用具有清洁表面的作用，可以清除掉铝合金表面的杂质。此外，臭氧为轻微等离子结合体，微弧氧化开始后，电解液通电后温度升高，臭氧在电解液中处于不稳定状态，会分解产生十分活泼的、具有强烈氧化作用的单元子氧，加速微弧氧化的氧化还原反应，提高电解质溶液稳定性；使涂层组织更均匀，提高涂层与基体的结合力。

图2为铝合金基材的表面形貌图；图3为未进行臭氧处理的微弧氧化铝合金试样的表面形貌图；图4为实施例一得到的微弧氧化后的铝合金试样的表面形貌图。可以看出，铝合金基体表面分布着方向一致的砂纸打磨痕迹，微弧氧化和臭氧微弧氧化获得的涂层表面呈多孔结构；经臭氧处理的微弧氧化涂层的孔隙分布更加均匀，微孔孔径变小，可减少腐蚀液体的浸入量。图5为铝合金基材在3.5wt％的NaCl溶液中电化学腐蚀后的表面形貌图；图6为未进行臭氧处理的微弧氧化铝合金试样在3.5wt％的NaCl溶液中电化学腐蚀后的表面形貌图；图7为实施例一得到的微弧氧化后的铝合金试样在3.5wt％的NaCl溶液中电化学腐蚀后的表面形貌图；可以看出，铝合金基体表面凹凸不平，发生了电化学腐蚀；微弧氧化涂层主要成分为Al₂O₃陶瓷，表面未出现明显的腐蚀。图8为弧氧化涂层电化学腐蚀极化对比曲线；其中1表示未进行臭氧处理的微弧氧化铝合金试样，2表示实施例一得到的微弧氧化后的铝合金试样，3表示铝合金基材；铝合金基体的腐蚀电位为-0.987V，腐蚀电流为3.541×10^-6A；微弧氧化和臭氧处理微弧氧化涂层的腐蚀电位分别为-0.780V和-0.726V，腐蚀电流分别为2.399×10^-7和1.788×10^-7A。可以看出，微弧氧化和臭氧处理的微弧氧化涂层均可以提高铝合金的腐蚀电位，降低其腐蚀电流；其中，臭氧微弧氧化处理获得的涂层与铝合金基体相比，其腐蚀电位提高了0.259V，腐蚀电流降低一个数量级，耐蚀性最好。