专利名称：钛合金表面黑色抗高温氧化涂层制备方法
技术领域：
本发明涉及钛合金表面复合功能涂层的制备技术，特别涉及微弧氧化及硅烷改性粉体相结合的集成技术。
背景技术：
钛合金是一种轻质合金，由于其具有高的比强度和优异的耐氯离子腐蚀的特性，在航空航天、武器装备、化工等领域得到了极大的应用。但钛合金的使用温度不高，主要是氧在钛中的溶解度极高，易于形成氧化膜，普通钛合金在高于400°C下长期使用其表面容易出现氧化膜层，即使特殊耐热钛合金目前的使用温度也难以超过600°C，该氧化膜层随着温度的升高和时间的延长会逐渐增厚，导致涂层与基体由于热膨胀系数的差异出现剥落。因此往往需要通过表面涂层的方法在钛合金表面制备一层涂层，阻隔或延缓外界的氧向基体内扩散的速度。此外黑色涂层具有隐蔽性，且有高的辐射特性，可以将自身的高热迅速传递到外界，因此钛合金表面的黑色抗氧化涂层有其特殊的功效作用。目前钛合金表面黑色膜层的制备方法主要是通过真空物理气相沉积的方法制备，通过表面沉积碳化钛膜层作为装饰膜，这种膜厚度较薄，碳化钛硬度大，也可以作为硬质膜具有一定的耐磨性，但不具有抗氧化特性。专利(CN101177773A)报道在钛合金表面制备黑色膜层的方法是通过先将钛合金表面氧化，然后再在200-1000°C的温度真空非氧化性气氛中处理获得，这种方法要通过两个步骤，真空处理将对大尺 度工件有极大的限制，同时在较高温度热处理，容易使工件产生变形。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用磷酸盐或铝酸盐的水溶液作为微弧氧化的电解液，在电解液中加入含铝的粉体，可以是纯铝粉、铝合金粉或氧化铝粉体，使其均匀分散于电解液中，经过化学反应、电化学反应以及等离子的共同作用，在钛合金基体表面上形成一层少无孔隙的黑色抗氧化复合涂层的钛合金表面黑色抗高温氧化涂层制备方法。本发明的技术方案是钛合金表面黑色抗高温氧化涂层制备方法，具体包括以下步骤
1)配置电解液取一定量溶质加入到去离子水中，得到浓度为5-20g/L含盐水溶液，力口入浓度为O. 3-lg/L弱酸调节含盐溶液的pH值为7-12 ;其中，所述溶质为磷酸盐、硅酸盐、偏铝酸盐或硫酸盐的一种或多种混合盐；
2)将粒径为50微米以下的含铝粉体和一定量的稀土粉末混合后通过硅烷将上述粉体改性或直接加入步骤I制备得到电解液中，进行搅拌；其中，所述含铝粉体加入量是在I升电解液中加入5-30克，所述稀土粉末加入量是在I升电解液中加入少于15克；所述粉体为纯铝粉、铝合金粉或氧化铝粉的一种或多种混合；
3)将步骤2制备得到的含铝粉体的电解液置入电解槽中，将基体钛合金作为阳极，石墨、不锈钢或钼金作为阴极，通过高压电源设备，采用脉冲电源，通入能使钛合金表面起弧的电压，电压范围为300-600V，通入时间为5-30分钟，使其表面生成一层厚度在2-300微米黑色均匀的涂层然后用水冲去电解液，室温晾干或烘干。本发明有益效果是采用上述方法获得的涂层具有微弧氧化技术制备涂层的基本特性，表面呈现黑色，其孔隙率远比普通微弧氧化涂层的低，表面粗糙度也低，具有极好的抗氧化特性，涂层兼具耐电化学腐蚀、耐磨等特性，涂层厚度在2-300微米。这种方法工艺简单，易操作，时间短，因此将具有广泛的应用前景。
图1本发明获得的钛合金表面黑色抗氧化涂层与普通微弧氧化涂层的表面颜色比较示意图。图2为本发明获得的黑色抗氧化涂层与普通微弧氧化涂层表面孔隙率比较示意图。图3本发明获得的钛合金表面涂层和裸钛合金在750°C下氧化增重量随时间的变化(抗氧化特性)的曲线示意图。 下面结合具体实施例对本发明的技术方案是做进一步说明。实施例1 :加纯铝粉的复合涂层制备
配制5g/L的偏招酸钠电解液,在电解液中加入25g/L的纯招粉,然后以石墨板为阴极，钛合金样片为阳极，用脉冲电源，在电解液中进行微弧氧化处理，参数为恒压300V，时间5min,占空比60%，频率2000，到时间后关掉电源将样片取出，用水冲洗，然后自然晾干。实施例2 :加氧化铝粉的复合涂层制备` 配制12g/L的磷酸钠和硫酸镁混合电解液，在电解液中加入5g/L的氧化铝粉，然后以不锈钢板为阴极，钛合金样片为阳极，用脉冲电源，在电解液中进行微弧氧化处理，参数为恒压480V，时间20min，占空比60%，频率2000，到时间后关掉电源将样片取出，用水冲洗，然后自然晾干。实施例3 加混合粉体的复合涂层制备
配制20g/L的硅酸钠、偏铝酸钠和磷酸钠的混合电解液，在电解液中加入10g/L的铝合金粉和氧化铝粉的混合粉体(粉体质量比1:1)，然后以钼金片为阴极，钛合金样片为阳极，在电解液中进行微弧氧化，参数为恒压400V，时间lOmin，占空比60%，频率2000，到时间后关掉电源将样片取出，用水冲洗，然后自然晾干。实施例4:加稀土混合粉体的复合涂层制备
配制20g/L的磷酸钠电解液，在电解液中加入30g/L的铝合金粉和氧化铝粉和氧化铈的混合粉体(粉体质量比1:1 :1)，然后以钼金片为阴极，钛合金样片为阳极，在电解液中进行微弧氧化处理，脉冲电源，参数为恒压600V，时间8min，占空比50%，频率2000，到时间后关掉电源将样片取出，用水冲洗，然后自然晾干。从图1所示本发明获得的钛合金表面黑色抗氧化涂层的表面颜色与普通微弧氧化涂层的比较，看出本发明所得的复合涂层呈黑色(如图1A所示)，而普通微弧氧化陶瓷涂层呈灰色(如图1B所示)。从图2所示本发明获得的的钛合金表面黑色抗氧化涂层的表面形貌(如图2A所示)与普通微弧氧化涂层的比较(如图2B所示，看出本发明所获得的复合涂层表面孔隙直径以及孔隙率较普通微弧氧化陶瓷涂层小。从图3所示本发明获得的的钛合金表面涂层和裸钛合金在750°C下抗氧化特性比较，看出所获得的黑色抗氧化复合涂层，750°C条件下较无涂层的钛合金氧化增重缓慢，50小时后，裸钛合金的增重比(增加重量/原始重量)是1. 5%，经微弧氧化处理后试样的增重比是O. 59%。同时普通微弧氧化涂层在750°C条件下10小时以后便发生剥落，因此说明本发明制备的涂层提高了·钛合金的在750°C条件下的抗高温氧化特性。
权利要求
1.钛合金表面黑色抗高温氧化涂层制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤 1)配置电解液取一定量溶质加入到去离子水中，得到浓度为5-20g/L含盐水溶液，力口入浓度为O. 3-lg/L弱酸调节含盐溶液的pH值为7-11 ;其中，所述溶质为磷酸盐、硅酸盐、偏铝酸盐、硫酸盐或多种混合盐； 2)将粒径为50微米以下的含铝粉体通过硅烷改性后或直接加入步骤I制备得到的电解液中，进行搅拌；其中，所述含铝粉体加入量是在I升电解液中加入5-30克，所述稀土粉末加入量是在I升电解液中加入小于15克； 3)将步骤2制备得到的含铝粉体的电解液置入电解槽中，将基体钛合金作为阳极，石墨、不锈钢或钼金作为阴极，通过高压电源设备，采用脉冲电源，通入能使钛合金表面起弧的电压，电压范围为300-600V，通入时间为5-30分钟，使其表面生成一层厚度在2-300微米黑色均匀的涂层然后用水冲去电解液，室温晾干或烘干。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中所述含铝粉体还可以与稀土粉末混合通过硅烷改性或直接加入步骤I制备得到电解液中。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述含铝粉体为纯铝粉、铝合金粉或氧化铝粉的一种或多种混合。
全文摘要
本发明钛合金表面黑色抗高温氧化涂层制备方法，特别涉及微弧氧化及硅烷改性粉体相结合的集成技术，本发明主体对象是钛合金，采用磷酸盐、铝酸盐、硅酸盐、偏铝酸盐或硫酸盐水溶液或其两种混合盐作为微弧氧化的电解液，加入弱酸调节电解液的pH值，在电解液中加入含铝的粉体，或在前面的基础上再加稀土粉末，使其均匀分散于电解液中，电解液保持呈碱性，经过化学反应、电化学反应以及等离子的作用，在钛合金基体表面上形成少或无孔隙的复合涂层，该涂层呈现黑色，具有优良的抗高温氧化特性和辐射特性，同时还具有较好的耐磨、耐蚀性能。该涂层制备方法还具有环保，工艺时间短的特征。
文档编号C25D11/26GK103060881SQ20131002988
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者张津, 李洪 申请人:北京科技大学