有色金属表面氧化物陶瓷涂层成分可控的微弧氧化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有色金属表面处理技术领域，具体涉及一种有色金属表面氧化物陶瓷 涂层成分可控的微弧氧化方法。
【背景技术】
[0002] 微弧氧化（ΜΑ0)技术最早源于20世纪30年代德国科学家Giintherschlze和Betz 对金属阳极极化时火花放电现象的研究，但是直到20世纪70年代前苏联科学家A. M0PK0S 才正确地认识了这种火花放电现象。火花放电的结果导致电极表面上形成具有较高保护性 能的陶瓷膜，这种方法称为微弧氧化或微等离子体氧化等。由于这种技术在材料制备上工 艺简单，容易实现，所以引起越来越多的专家、学者的关注，成为国际材料科学研究的热点 之一。
[0003] 微弧氧化技术是指利用弧光放电增强并激活在工件阳极上发生的微等离子氧化 反应，从而在以铝、钛、镁等金属及其合金为材料的工件表面原位生成优质的强化陶瓷膜。 微弧氧化技术是近几年国内外发展较快的一项高新技术，通过在工件上施加电压，突破传 统的阳极氧化电流、电压法拉第区域的限制。阳极电位由几十伏提高到几百伏。在一定电 流密度下，致使在工件表面出现电晕、辉光、微弧放电，甚至火花斑，使工件表面在微弧等离 子体高温高压下与电解质溶液相互作用形成陶瓷膜，进而达到工件表面改性强化。这种陶 瓷膜与基体属冶金结合，结合强度好，硬度高，具有很好的耐磨、耐腐蚀、耐高压绝缘和抗高 温冲击等特性，可以大幅提高工件的使用寿命。但是微弧氧化制备涂层过程中，由于微弧氧 化陶瓷涂层成分主要以基体材料的氧化物为主，同时含有部分电解液中阴离子形成的氧化 物。不同成分的氧化物陶瓷涂层性能有很大的差异，通过涂层成分调控能够改善涂层的相 关性能；常规微弧氧化方法下氧化物陶瓷层的成分难以有效调控，那么实现微弧氧化陶瓷 涂层成分的有效调控将会进一步扩大微弧氧化技术的应用范围。在微弧氧化槽中设置反渗 透膜系统，在氧化过程中通过利用反渗透膜对电解液中的离子进行定向选择，使所选离子 不断在工件周围富集，从而进行氧化物陶瓷涂层成分调控的研究未见相关报道。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种有色金属表 面氧化物陶瓷涂层成分可控的微弧氧化方法。该方法采用反渗透技术和微弧氧化技术相结 合的方法制备氧化物陶瓷涂层，涂层成分调控方法简便、投入成本低且使用效果好，实用价 值高，能够有效实现陶瓷涂层成分的选择性调控，能有效改善目前微弧氧化陶瓷层性能。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种有色金属表面氧化物陶瓷 涂层成分可控的微弧氧化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0006] 步骤一、选择第一反渗透膜和第二反渗透膜；所选择的第一反渗透膜的孔径队满 足：2RX< D # 2. 2R x，所选择的第二反渗透膜的孔径D2满足：D 2< 2R x，所述Rx为待沉积元 素的可溶性盐的离子半径，Rx的单位为埃；
[0007] 步骤二、利用步骤一中所选择的第一反渗透膜和第二反渗透膜将微弧氧化槽分隔 为三个工作区：第一非氧化工作区、氧化工作区和第二非氧化工作区，所述氧化工作区位于 第一反渗透膜和第二反渗透膜之间，所述第一非氧化工作区位于第一反渗透膜的左侧，所 述第二非氧化工作区位于第二反渗透膜的右侧；
[0008] 步骤三、采用管路将步骤二中所述第一非氧化工作区和第二非氧化工作区连通， 并在管路上设置压力栗，然后将电解液加入微弧氧化槽中，将阳极、第一阴极和第二阴极插 设于氧化工作区内并浸入电解液中，之后利用压力栗使电解液发生定向流动，利用第一反 渗透膜和第二反渗透膜对电解液进行离子选择；所述离子选择的时间为20min~60min，所 述阳极的材质为有色金属，所述第一阴极和第二阴极均与阳极平行相对设置；
[0009] 步骤四、在保持步骤三中所述电解液定向流动的条件下，进行微弧氧化处理 lOmin~60min，在阳极表面得到氧化物陶瓷涂层。
[0010] 上述的有色金属表面氧化物陶瓷涂层成分可控的微弧氧化方法，其特征在于，步 骤三中所述阳极的材质为镁、镁合金、铝、铝合金、钛、钛合金、锆、锆合金、铌、铌合金、钽或 钽合金。
[0011] 上述的有色金属表面氧化物陶瓷涂层成分可控的微弧氧化方法，其特征在于，步 骤三中所述第一阴极和第二阴极的材质均为不锈钢。
[0012] 上述的有色金属表面氧化物陶瓷涂层成分可控的微弧氧化方法，其特征在于，步 骤三中所述电解液由氢氧化钠、无机盐和去离子水混合均匀而成，其中氢氧化钠的浓度为 lg/L~15g/L，无机盐的浓度为5g/L~30g/L，所述无机盐为铝酸钠、硅酸钠、氟锆酸钾、钨 酸钠或偏钒酸铵。
[0013] 上述的有色金属表面氧化物陶瓷涂层成分可控的微弧氧化方法，其特征在于，步 骤四中所述微弧氧化处理的工艺参数为：电压300V~450V，脉冲频率100Hz~600Hz，占空 比5%~20%，电解液的温度15°C~30°C。
[0014] 本发明的工作原理为：在微弧氧化之前，首先利用压力栗使电解液发生定向循环 流动，电解液在压力的作用下先通过设置在微弧氧化槽中的第一反渗透膜，第一反渗透膜 对电解液中的离子依据离子半径的大小进行离子筛选，使电解液中所选离子通过后到达氧 化工作区，随后在第二反渗透膜作用下将所选离子不断阻挡，富集于工作区，从而实现电解 液中的离子进行定向选择，使得所选离子不断在工件周围富集，最终经微弧氧化处理后，在 有色金属阳极基体表面实现氧化物陶瓷涂层成分的调控。
[0015] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0016] 1、本发明采用微弧氧化法制备氧化物陶瓷涂层的过程中，利用反渗透膜对电解液 中的离子进行定向选择，有效的实现了涂层成分的选择性调控。
[0017] 2、本发明采用反渗透技术和微弧氧化技术相结合的方法制备氧化物陶瓷涂层，涂 层成分调控方法简便且容易实现，使用设备简单且投入成本低。
[0018] 3、本发明技术推广利用前景广泛，能有效推广适用至需要进行微弧氧化陶瓷层成 分选择性调控的技术场合。
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明有色金属表面氧化物陶瓷涂层成分可控的微弧氧化过程示意图。
[0021] 附图标记说明：
[0022] 1-1 -第一非氧化工作区； 1-2-氧化工作区；
[0023] 1-3-第二非氧化工作区； 2-1-第一反渗透膜；
[0024] 2-2一第二反渗透膜； 3_1-第一阴极；
[0025] 3-2-第二阴极； 4一阳极；
[0026] 5一压力栗； 6-管路；
[0027] 7-电解液。
【具体实施方式】 [0028] 实施例1
[0029] 本实施例采用反渗透技术和微弧氧化技术相结合的方法，在有色金属表面制备氧 化物陶瓷涂层，所述有色金属为镁。结合图1，本实施例有色金属表面制备氧化物陶瓷涂层 成分可控的微弧氧化方法包括以下步骤：
[0030] 步骤一、选择第一反渗透膜2-1和第二反渗透膜2-2 ;所选择的第一反渗透膜2-1 的孔径Di满足：2R D A 2. 2R x，所选择的第二反渗透膜2-2的孔径D2满足：D 2< 2R x，所 述Rx为待沉积元素的可溶性盐的离子半径，Rx的单位为埃；本实施例中待沉积元素为铝，铝 酸盐离子半径Rx= 2. 5埃，故选择的第一反渗透膜2-1的孔径为5埃，选择的第二反渗透 膜2-2的孔径为3埃；
[0031] 具体操作过程中，可将第一反渗透膜2-1和第二反渗透膜2-2设计为多层结构，采 用层层过滤的方法提高离子选择的准确率和选择效率。
[0032] 步骤二、利用步骤一中所选择的第一反渗透膜2-1和第二反渗透膜2-2将微弧氧 化槽分隔为三个工作区：第一非氧化工作区1-1、氧化工作区1-2和第二非氧化工作区1-3， 所述氧化工作区1-2位于第一反渗透膜2-1和第二反渗透膜2-2之间，所述第一非氧化工 作区1-1位于第一反渗透膜2-1的左侧，所述第二非氧化工作区1-3位于第二反渗透膜2-2 的右侧；
[0033] 步骤三、采用管路6将步骤二中所述第一非氧化工作区1-1和第二非氧化工作区 1-3连通，并在管路6上设置压力栗5,然后将电解液7加入微弧氧化槽中，将阳极4、第一阴 极3-1和第二阴极3-2插设于氧化工作区1-2内并浸入电解液7中，之后利用压力栗5使 电解液7发生定向流动，利用第一反渗透膜2-1和第二反渗透膜2-2对电解液7进行离子 选择；所述离子选择的时间为40min，所述阳极4的材质为镁，所述第一阴极3-1和第二阴 极3-2的材质均为不锈钢，所述第一阴极3-1和第二阴极3-2均与阳极4平行相对设置；所 述电解液7由氢氧化钠、无机盐和去离子水混合均匀而成，其中氢氧化钠的浓度为10g/L， 无机盐的浓度为20g/L，所述无机盐为铝酸钠；
[0034] 步骤四、在保持步骤三中所述电解液7定向流动的条件下，通电进行微弧氧化处 理20min，微弧氧化处理的工艺参数为：电压400V，脉