一种铝合金表面碳基涂层制备方法及铝合金表面碳基涂层
阅读说明：本技术 一种铝合金表面碳基涂层制备方法及铝合金表面碳基涂层 (Preparation method of carbon-based coating on aluminum alloy surface and carbon-based coating on aluminum alloy surface ) 是由 孙丽丽 汪爱英 陈仁德 巍晨阳 王丽 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：一种铝合金表面碳基涂层制备方法,包括：将铝合金基体放入NaCl溶液中超声清洗,超声清洗后继续浸泡1-10h,得到表面刻蚀铝合金；将表面刻蚀铝合金先放入去离子水中超声清洗,然后放入无水乙醇中超声清洗,得到清洗后表面刻蚀铝合金；将步骤(2)所得到的清洗后表面刻蚀铝合金放入真空腔室,通过物理气相沉积或化学气相沉积得到铝合金表面碳基涂层。本发明还提供了利用该方法制备的铝合金表面碳基涂层,该铝合金表面碳基涂层具有较强的抗腐蚀性,较强的表面耐磨性和结合力。(A preparation method of a carbon-based coating on an aluminum alloy surface comprises the following steps: putting the aluminum alloy matrix into NaCl solution for ultrasonic cleaning, and then continuously soaking for 1-10h after ultrasonic cleaning to obtain surface-etched aluminum alloy; putting the surface-etched aluminum alloy into deionized water for ultrasonic cleaning, and then putting the surface-etched aluminum alloy into absolute ethyl alcohol for ultrasonic cleaning to obtain the surface-etched aluminum alloy after cleaning; and (3) putting the cleaned surface-etched aluminum alloy obtained in the step (2) into a vacuum chamber, and obtaining the carbon-based coating on the surface of the aluminum alloy through physical vapor deposition or chemical vapor deposition. The invention also provides the carbon-based coating on the surface of the aluminum alloy prepared by the method, and the carbon-based coating on the surface of the aluminum alloy has stronger corrosion resistance, stronger surface wear resistance and stronger binding force.)
技术领域
本发明属于表面防护技术领域，具体涉及一种铝合金表面碳基涂层制备方法。
背景技术
铝合金通常使用铜、锌、锰、硅、镁等合金元素，跟普通的碳钢相比有更轻及耐腐蚀的性能，但抗腐蚀性不如纯铝。在干净、干燥的环境下铝合金的表面会形成保护的氧化层。造成电偶腐蚀加速的情况有：铝合金与不銹钢接触的情况、其他金属的腐蚀电位比铝合金低或是在潮湿的环境下铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶铝合金及化学工业中已大量应用。
随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。
铝合金是工业界广泛应用的一类金属，金属铝比强度与比刚度高、可加工性强且资源丰富，可以预见铝合金在未来仍是最重要的金属材料之一，铝合金材料具有质轻、强度高、可加工性能好等优良特性。在航空航天、海工装备等高
技术领域
被广泛应用，但在海洋环境中铝合金极易发生腐蚀，影响关键部件的长期可靠运行。然而铝合金应用过程中的腐蚀不容忽视，铝合金的腐蚀一方面造成浪费，另一方面使得铝合金制件存在极大的安全隐患。以金属防腐涂层为着眼点，目前世界各国开发了多种铝合金防腐技术，主要有阳极氧化、化学转化膜、电镀以及化学镀等。其中高效而得到广泛使用的是含铬化学转化膜，比较典型的是达克罗(DCROMET)涂层(锌铬涂层)，然而此类涂层在生产和使用过程中会释放致癌性的六价铬，对生物体毒害较大。
表面涂层是一种简单有效的金属防护手段。但对于海洋工程装备中精密传动部件用铝合金材料来说，铝合金同时面临腐蚀与摩擦相互作用的严苛工况。常见耐磨涂层材料在腐蚀环境下易发生加速磨损，而常用耐腐蚀涂料又存在耐磨损性能不足的问题。
铝合金的表面处理中还有一种常见的方式是碳基涂层材料，碳基涂层材料是一种兼具石墨与金刚石特性的非晶材料，具有硬度高、耐磨、耐蚀等综合性能，是解决铝合金材料耐磨耐蚀性能差的理想防护材料。但其与铝合金基体在物理、化学性能上存在较大差异，导致存在膜基结合力差的瓶颈问题。
同时，尽管碳基涂层具有优异的耐腐蚀性能，但由于碳基涂层材料为物理气相沉积或化学气相沉积制备而成，无法避免地会存在针孔等固有缺陷，导致腐蚀成分容易达到铝合金基体，涂层易发生失效。
因此如何通过有效方法在保证良好耐磨性能的前提下，解决铝合金表面沉积碳基涂层的结合力与耐蚀性问题十分重要。
发明内容
本发明提供了一种铝合金表面碳基涂层制备方法，利用该制备方法制备的铝合金表面碳基涂层具有较高耐腐蚀性，较强的耐磨性和结合力。
一种铝合金表面碳基涂层制备方法，包括：
(1)将铝合金基体放入NaCl溶液中超声清洗，超声清洗后继续浸泡1-10h，得到表面刻蚀铝合金；
(2)将表面刻蚀铝合金先放入去离子水中超声清洗，然后放入无水乙醇中超声清洗，得到清洗后表面刻蚀铝合金；
(3)将步骤(2)所得到的清洗后表面刻蚀铝合金放入真空腔室，通过物理气相沉积或化学气相沉积得到铝合金表面碳基涂层。
通过步骤(1)的超声清洗，利用NaCl溶液分子对铝合金表面进行表面刻蚀，并在NaCl溶液中浸泡合适的时间，使得铝合金表面形成刻蚀微结构，目的是一方面使得铝合金表面具有较强的结合力，另一方面使得铝合金表面形成一定的腐蚀钝化层，有利于提高所述铝合金表面碳基涂层的腐蚀性能，然后进行去离子水超声清洗，一方面去除铝合金表面的NaCl溶液，避免进一步腐蚀影响表面结构；另一方面清洗铝合金表面吸附的杂质污垢；最后通过无水乙醇超声清洗进一步除吸附在铝合金刻蚀表面的影响结合力的杂质或腐蚀产物，形成致密钝化层，从而提高了铝合金刻蚀表面的结合力，同时，由于无水乙醇挥发快，能够避免清洗后的铝合金表面存在溶液残留，造成二次表面污染，所以最后通过无水乙醇进行清洗。
步骤(1)中，所述的NaCl溶液的溶液浓度为5％～25％。
溶液浓度过低，对铝合金表面的刻蚀作用弱，难以在短时间内形成利于结合力提高的微纳结构；溶液浓度过高，刻蚀作用较强，无法对微纳结构进行可控调控，且容易在短时间内形成较多腐蚀产物，不利于后续镀膜处理，尤其当溶液浓度超过NaCl溶液常温条件下在水中的饱和浓度(26.5％)时，容易很快在铝合金表面形成NaCl结晶，无法进行后续处理。
步骤(1)中，所述的超声清洗时间为5～20min。超声清洗时间直接影响着NaCl溶液对铝合金表面的侵蚀程度和刻蚀速度，超声时间过长，刻蚀深度大，导致铝合金表面粗糙度明显增大，会导致后续涂层与铝合金之间结合力的降低。
步骤(2)中，所述的去离子水超声清洗时间为10～30min。
步骤(2)中，所述的无水乙醇超声清洗时间为10～30min。
步骤(2)中，所述的物理气相沉积的参数为：沉积功率200～300W，基体负偏压50～200V，碳氢气源为乙炔或甲烷。
步骤(2)中，所述的化学气相沉积的参数为：基体负偏压为350～600V，气压为10～20mTorr，碳氢气源为乙炔或甲烷。
进一步的，所述的NaCl溶液的溶液浓度为15～25％，所述的超声清洗时间为10～20min，所述的去离子水超声清洗时间为10～20min，所述的无水乙醇超声清洗时间为10～15min。各优选参数有效结合，能够实现吸附杂质少、微纳结构利于后续薄膜结合的铝合金表面，利于膜基结合力的提高。
本发明还提供了所述的铝合金表面碳基涂层制备方法制备的铝合金表面碳基涂层。
所述的铝合金表面碳基涂层中的碳基涂层的厚度为1～3μm。涂层过厚会导致基体与涂层之间的物理、化学匹配性较差，影响涂层结合力，进而影响耐磨性能的发挥；涂层过薄，无法为铝合金提供有效的支撑保护作用，会导致涂层过早失效，影响铝合金基材的使用。
所述的铝合金表面碳基涂层中铝合金与碳基涂层结合强度为15～20N，磨损率为小于2×10-8mm3/Nm，，在标准性盐雾试验下2小时，表面无明显腐蚀现象。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)通过NaCl溶液前处理形成腐蚀后的微-纳结构表面，能够有效增加碳基涂层与铝合金基体之间的结合力。
(2)经过一定时间的NaCl溶液浸泡，在基体表面形成一定厚度的钝化层，能够进一步阻挡腐蚀介质的进入，提高防护涂层的耐腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明提供的一种铝合金表面碳基涂层制备方法的流程图；
图2为本发明
具体实施方式
中的实施例1，实施例2，实施例3，对比例1制备的铝合金沉积碳基涂层的划痕形貌图；
图3为本发明具体实施方式中的实施例1，实施例2，实施例3，对比例1制备的铝合金沉积碳基涂层的的表面照片；
图4为铝合金基体，本发明实施例2，对比例1制备的铝合金沉积碳基涂层的样品照片。
具体实施方式
本发明提供了一种提高铝合金表面碳基涂层耐磨耐蚀性能的前处理方法，如图1所述，具体包括依次对铝合金基体进行第一次超声清洗、NaCl溶液浸泡、第二次超声清洗、第三次超声清洗，然后进行碳基涂层沉积；所述第一次超声清洗环境为NaCl溶液；所述第一次超声清洗NaCl溶液与浸泡溶液环境相同；所述第二次超声清洗环境为去离子水；所述第三次超声清洗环境为无水乙醇，将处理后的铝合金基体及时放入真空腔室，通过物理气相沉积或化学气相沉积技术完成碳基涂层沉积。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
(1)将抛光后的铝合金基体放入5wt％NaCl溶液中清洗10min；
(2)将清洗后的铝合金基体放入5wt％NaCl溶液中浸泡1h；
(3)将浸泡后的铝合金基体放入去离子水中进行超声清洗10min；
(4)将去离子水清洗后的铝合金基体放入无水乙醇中进行超声清洗20min；
(5)将处理后的铝合金基体及时放入真空腔室，通过线性离子束物理气相沉积技术，设置离子束功率250W，负偏压100V，乙炔工作气压2.0mTorr，沉积时间90min，完成铝合金基体表面碳基涂层沉积。
经过处理后的铝合金与碳基涂层结合强度为17.8N，与轴承钢球在5N载荷下对磨30min的磨损率为1.26×10-8mm3/Nm，在标准酸性盐雾下2h，表面无明显腐蚀现象。
实施例2
(1)将抛光后的铝合金基体放入10wt％NaCl溶液中清洗10min；
(2)将清洗后的铝合金基体放入10wt％NaCl溶液中浸泡7h；
(3)将浸泡后的铝合金基体放入去离子水中进行超声清洗10min；
(4)将去离子水清洗后的铝合金基体放入无水乙醇中进行超声清洗30min；
(5)将处理后的铝合金基体及时放入真空腔室，通过，设置离子束功率300W，负偏压200V，甲烷工作气压2.5mTorr，沉积时间120min，技术完成碳基涂层沉积。
经过处理后的铝合金与碳基涂层结合强度为18.9N，与轴承钢球在5N载荷下对磨30min的磨损率为1.08×10-8mm3/Nm，在标准酸性盐雾下2h，表面无明显腐蚀现象。
实施例3
(1)将抛光后的铝合金基体放入25wt％NaCl溶液中清洗5min；
(2)将清洗后的铝合金基体放入25wt％NaCl溶液中浸泡10h；
(3)将浸泡后的铝合金基体放入去离子水中进行超声清洗10min；
(4)将去离子水清洗后的铝合金基体放入无水乙醇中进行超声清洗10min；
(5)将处理后的铝合金基体及时放入真空腔室，通过等离子体增强化学气相沉积技术，设置负偏压550V，乙炔工作气压20mTorr，完成碳基涂层沉积。
经过处理后的铝合金与碳基涂层结合强度为15.1N，与轴承钢球在5N载荷下对磨30min的磨损率为1.51×10-8mm3/Nm，在标准酸性盐雾下2h，表面无明显腐蚀现象。
对比例1
(1)将抛光后的铝合金基体放入无水乙醇中进行超声清洗10min；
(2)将清洗后的铝合金基体及时放入真空腔室，通过等离子体增强化学气相沉积技术，设置负偏压550V，乙炔工作气压20mTorr，技术完成碳基涂层沉积。
经过处理后的铝合金与碳基涂层结合强度为9.2N，与轴承钢球在5N载荷下对磨30min的磨损率为1.8×10-8mm3/Nm，在标准酸性盐雾下2h，表面腐蚀严重，存在肉眼可见的明显的腐蚀产物。
对比例2
(1)将抛光后的铝合金基体放入3.5wt％NaCl溶液中清洗5min；
(2)将清洗后的铝合金基体放入3.5wt％NaCl溶液中浸泡1h；
(3)将浸泡后的铝合金基体放入去离子水中进行超声清洗10min；
(4)将去离子水清洗后的铝合金基体放入无水乙醇中进行超声清洗10min；
(5)将处理后的铝合金基体及时放入真空腔室，通过等离子体增强化学气相沉积技术，设置负偏压550V，乙炔工作气压20mTorr，技术完成碳基涂层沉积。
经过处理后的铝合金表面碳基涂层全部剥落。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
如图2所示，通本发明提供的一种铝合金表面碳基涂层制备方法制备的铝合金表面碳基涂层相比于未处理的碳基涂层，依然保持较高的耐磨损性能，如图3所示，经处理后的铝合金表面碳基涂层制备方法能够显著提高膜基结合力，如图4所示，经处理后的铝合金表面碳基涂层制备方法能够显著改善涂层的耐腐蚀性能。