專利名稱：一種提高輕合金微弧氧化涂層疲勞壽命的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面改性技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及提高輕合金微弧氧化后疲勞壽命的復(fù)合涂層的制備工藝方法。

背景技術(shù)：
在海洋艦船、飛機(jī)、海洋平臺以及冶金石化等設(shè)備上使用的鈦及鋁合金微弧氧化涂層，其服役環(huán)境比民用行業(yè)更為苛刻，要承受嚴(yán)重的腐蝕與交變或沖擊載荷。因此，要求涂層在提高基體耐磨抗蝕性能的同時，不顯著降低基體的疲勞壽命，提高材料服役可靠性。
目前在海洋艦船與航空領(lǐng)域廣泛采用的傳統(tǒng)陽極化或硬質(zhì)陽極化工藝，對基體合金的疲勞損傷較嚴(yán)重，如用傳統(tǒng)陽極化工藝在鋁合金上制備厚度約8μm的涂層，疲勞壽命約下降15％，在一些場合已不能適用；而硬質(zhì)陽極化工藝對基體疲勞壽命損傷更加嚴(yán)重。
現(xiàn)有一種微弧氧化(MAO)工藝是靠電解液與電脈沖參數(shù)的匹配調(diào)節(jié)，在陽極電壓超過臨界值時因微放電產(chǎn)生的局部高溫高壓作用下，于金屬表面生長出以氧化物為基體輔以電解液組分改性的陶瓷化涂層。這種陶瓷化涂層具有高的耐磨損及耐腐蝕性能，陶瓷化涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高。用這種方法可以在鈦、鋁及鎂合金表面制備厚度為幾微米～100微米的致密陶瓷化涂層，硬度為600～2000Hv，陶瓷化涂層具有良好的整體韌性、耐磨、耐腐蝕、隔熱及抗電磁輻射等特性。
雖然微弧氧化涂層在抗磨及耐蝕性能方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)陽極化或硬質(zhì)陽極化工藝。但微弧氧化涂層也會惡化基體合金疲勞性能。微弧氧化引起疲勞損傷的主要原因在于1)氧化后在鄰近膜基界面的基體部分形成的殘余拉應(yīng)力不能緩解；2)引起疲勞裂紋萌生的涂層內(nèi)部微孔等缺陷不能有效抑制；3)疲勞裂紋萌生后，膜基界面處金屬基體較大的晶粒組織不能抑制裂紋擴(kuò)展。主要為英國航空企業(yè)制作涂層的Keronite公司，在其網(wǎng)頁上公布，對于不同種類的航空用鋁合金，微弧氧化處理后基體的疲勞壽命下降了47％。如何在應(yīng)用微弧氧化涂層提高基體抗磨與抗腐蝕性能的同時，通過基體與涂層的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，來提高微弧氧化后合金的疲勞壽命或使疲勞壽命不顯著降低，是解決制約微弧氧化涂層在交變或沖擊應(yīng)力等嚴(yán)酷條件下使用的關(guān)鍵。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有微弧氧化工藝在提高基體抗磨與抗腐蝕性能的同時，微弧氧化后合金的疲勞壽命顯著降低的問題，而提出了一種提高輕合金微弧氧化涂層疲勞壽命的方法。
本發(fā)明的步驟如下 步驟一基體前處理輕合金的金屬表面1打磨拋光、清洗； 步驟二表面納米化采用表面納米化的方法在輕合金的金屬表面1上形成厚度為10～20μm的納米晶層2； 步驟三微弧氧化將表面納米化后的輕合金置于含有堿性電解液的不銹鋼槽體中，以輕合金做陽極，不銹鋼槽體為陰極；通過對微弧氧化電參數(shù)的控制，使輕合金的金屬表面1形成一層納米晶層2與微弧氧化層3的復(fù)合涂層4，厚度控制在10～20μm。
本發(fā)明的目的是提出金屬表面納米化與微弧氧化技術(shù)復(fù)合制備納米晶層與微弧氧化層新型的多層復(fù)合涂層的方法來提高輕合金的疲勞壽命，也就是采用表面納米化技術(shù)在輕合金表層制備出一定厚度的納米晶層，再在已制備出的納米晶層基礎(chǔ)上進(jìn)行微弧氧化處理。金屬納米化后的組織會改變微弧放電火花性質(zhì)，形成少孔隙的更致密涂層，可減小裂紋萌生的敏感性；微弧氧化不會對膜基界面的基體微米級組織產(chǎn)生影響，這是由于氧化時脈沖放電對基體熱輸入少，因此，微弧氧化不會改變基體納米晶層的原始組織，可抑制裂紋的萌生；另外，與基體接壤的微弧氧化內(nèi)層為致密的納米氧化物層，且與基體納米晶層成冶金結(jié)合，也有利于抑制疲勞裂紋的萌生。而且，本發(fā)明的微弧氧化層厚度控制在納米晶層范圍以內(nèi)，使與膜基界面處基體上層仍保持為納米晶層，這樣通過保留的納米晶層抑制裂紋萌生；而基體下層晶粒尺寸增加的微晶層組織也可抑制裂紋的萌生與擴(kuò)展。以提高微弧氧化處理后合金在交變或沖擊應(yīng)力等嚴(yán)酷使用條件下的疲勞壽命。



圖1是本發(fā)明步驟一中金屬表面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明步驟二中金屬表面納米化的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明步驟三中金屬表面形成復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟如下 步驟一基體前處理輕合金的金屬表面1打磨拋光、清洗； 步驟二表面納米化采用表面納米化的方法在輕合金的金屬表面1上形成厚度為10～20μm的納米晶層2； 步驟三微弧氧化將表面納米化后的輕合金置于含有堿性電解液的不銹鋼槽體中，以輕合金做陽極，不銹鋼槽體為陰極；通過對微弧氧化電參數(shù)的控制，使輕合金的金屬表面1形成一層納米晶層2與微弧氧化層3的復(fù)合涂層4，厚度控制在10～20μm。
上述輕合金可以是鋁合金、鈦合金和鎂合金。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同點在于采用表面納米化使金屬表面1表面嚴(yán)重塑性變形，產(chǎn)生大量位錯、孿晶或亞晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致晶粒細(xì)化至納米量級；表面納米化的振動頻率為48Hz、噴射距離為30mm、彈丸直徑為3～10mm和噴丸時間15～60min，以獲得一層厚為10～20μm的納米晶層2；表面納米化采用高能噴丸方法、表面機(jī)械研磨方法或超音速噴涂方法。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同點在于步驟三中的微弧氧化過程的能量由可調(diào)控高壓高頻雙極脈沖電源提供，脈沖電壓為400～600V、頻率400～800Hz、占空比4～20％、溶液溫度0～50℃。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同點在于步驟三中堿性電解液為硅酸鹽，磷酸鹽、鎢酸鹽、碳酸鹽、鉬酸鹽、鎢酸鹽中的一種或幾種的混合物。其它步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式是對TC4合金進(jìn)行微弧氧化，其步驟如下 步驟一基體前處理對TC4合金的金屬表面1打磨拋光，再放入裝有丙酮的容器后放入超聲波清洗裝置進(jìn)行清洗； 步驟二表面納米化調(diào)節(jié)表面納米化的振動頻率為48Hz、噴射距離為30mm、彈丸直徑為3mm、噴丸速率為60mm/s、噴丸時間為30min～60min，將晶粒尺寸細(xì)化至20nm，得到納米晶層2的厚度為10～20微米； 步驟三微弧氧化將表面納米化后的TC4合金置于含有Na2SiO315g/L、(NaPO3)610g/L和KOH 4g/L的電解液不銹鋼槽體中，調(diào)節(jié)電源的電壓為500V、占空比為8％、頻率為600Hz、氧化時間為20min，使TC4合金表面形成一層納米晶層2與微弧氧化層3復(fù)合涂層，厚度控制在10～20μm，即在表面納米化處理的納米晶層2原位生成微弧氧化涂層，在合金表面形成了納米晶層2與微弧氧化層3的復(fù)合涂層4。
對采用本發(fā)明處理后的TC4合金進(jìn)行疲勞性能測試，復(fù)合涂層的TC4合金試樣的疲勞壽命與微弧氧化單一涂層TC4合金試樣的疲勞壽命相比，提高了近10％，由此可見本發(fā)明在提高合金耐腐抗磨性能的同時，可減小微弧氧化涂層對TC4合金的疲勞壽命的影響。
具體實施方式
六本實施方式是對LY12CZ合金進(jìn)行微弧氧化，其步驟如下 步驟一基體前處理對LY12CZ合金的金屬表面1打磨拋光，再放入裝有丙酮的容器后放入超聲波清洗裝置進(jìn)行清洗； 步驟二表面納米化調(diào)節(jié)表面納米化的振動頻率為48Hz、噴射距離為30mm、彈丸直徑為3mm、噴丸速率為60mm/s、噴丸時間為30min～60min，將晶粒尺寸細(xì)化至20nm～100nm，得到納米晶層2的厚度為10～20微米； 步驟三微弧氧化將表面納米化后的LY12CZ合金置于含有Na2SiO36g/L、NaH2PO435g/L、NaOH 1.2g/L和NaAlO24g/L的電解液不銹鋼槽體中，調(diào)節(jié)電源的電壓為450V、占空比為8％、頻率為600Hz、氧化時間為30min，使LY12CZ合金表面形成一層納米晶層2與微弧氧化層3復(fù)合涂層，厚度控制在10～20μm，即在表面納米化處理的納米晶層2原位生成微弧氧化涂層，在合金表面形成了納米晶層2與微弧氧化層3復(fù)合涂層。
對采用本發(fā)明處理后的LY12CZ合金進(jìn)行疲勞性能測試，復(fù)合涂層的LY12CZ合金試樣的疲勞壽命與微弧氧化單一涂層LY12CZ合金試樣的疲勞壽命相比，要高出8～10％，由此可見本發(fā)明在提高合金耐腐抗磨性能的同時，可減小微弧氧化涂層對LY12CZ合金的疲勞壽命的影響。
權(quán)利要求
1、一種提高輕合金微弧氧化涂層疲勞壽命的方法，其特征在于它的步驟如下
步驟一基體前處理輕合金的金屬表面(1)打磨拋光、清洗；
步驟二表面納米化采用表面納米化的方法在輕合金的金屬表面(1)上形成厚度為10～20μm的納米晶層(2)；
步驟三微弧氧化將表面納米化后的輕合金置于含有堿性電解液的不銹鋼槽體中，以輕合金做陽極，不銹鋼槽體為陰極；通過對微弧氧化電參數(shù)的控制，使輕合金的金屬表面(1)形成一層納米晶層(2)與微弧氧化層(3)的復(fù)合涂層(4)，厚度控制在10～20μm。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高輕合金微弧氧化涂層疲勞壽命的方法，其特征在于步驟二中的表面納米化過程中，表面納米化的振動頻率為48Hz、噴射距離為30mm、彈丸直徑為3～10mm和噴丸時間15～60min。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高輕合金微弧氧化涂層疲勞壽命的方法，其特征在于表面納米化采用高能噴丸方法、表面機(jī)械研磨方法或超音速噴涂方法。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高輕合金微弧氧化涂層疲勞壽命的方法，其特征在于步驟三中的微弧氧化的脈沖電壓為400～600V、頻率400～800Hz、占空比4～20％、溶液溫度0～50℃。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高輕合金微弧氧化涂層疲勞壽命的方法，其特征在于步驟三中堿性電解液為硅酸鹽，磷酸鹽、鎢酸鹽、碳酸鹽、鉬酸鹽、鎢酸鹽中的一種或幾種的混合物。
全文摘要
一種提高輕合金微弧氧化涂層疲勞壽命的方法，本發(fā)明涉及金屬表面改性技術(shù)領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有微弧氧化工藝在提高基體抗磨與抗腐蝕性能的同時，微弧氧化后合金的疲勞壽命顯著降低的問題。它步驟如下首先對輕合金的金屬表面打磨拋光、清洗；之后對表面進(jìn)行納米化，形成厚度為10～20μm的納米晶層；最后將表面納米化后的輕合金置于含有堿性電解液的不銹鋼槽體中，通過對微弧氧化電參數(shù)的控制，使輕合金的金屬表面形成一層納米晶層與微弧氧化層的復(fù)合涂層，厚度控制在10～20μm。本發(fā)明顯著提高微弧氧化處理后合金的疲勞壽命，可拓展其在交變或沖擊應(yīng)力等嚴(yán)酷條件的應(yīng)用范圍。
文檔編號C25D11/02GK101260556SQ20071014483
公開日2008年9月10日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月14日
發(fā)明者王亞明, 磊 文, 郭立新, 雷廷權(quán), 賈德昌, 玉 周 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)