專利名稱：一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在鎂、鋁、鈦等輕金屬及其合金表面制備致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的方法。
背景技術(shù)：
微弧氧化表面處理技術(shù)在鋁、鎂、鈦等輕金屬及其合金表面制備的陶瓷膜層與基體具有較好的結(jié)合力，大幅度的提高表面硬度，能改善基體的耐磨、防腐、絕緣和隔熱性能，且工作液為環(huán)保型，反應(yīng)在常溫、常壓下進(jìn)行，因此，該技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景。目前，制約微弧氧化技術(shù)應(yīng)用的主要障礙為工藝的高能耗，尤其是在制備表面硬度高的膜層此問題表現(xiàn)尤為突出，微弧氧化過程大部分時(shí)間為微弧放電階段，如鋁合金材料微弧放電電壓通常在380V 550V之間，電流密度8A/dm2 20A/dm2之間，硬質(zhì)膜層處理時(shí)間通常在90min以上，長時(shí)間的高壓放電過程使得微弧氧化能耗高，使其成本較高，并且膜層外部留下大量的放電通道，形成疏松多孔的組織，且主要由非結(jié)晶相的基體氧化物組成，內(nèi)部致密層的耐磨、防腐等性能較好，但致密層通常占整體膜層的比例不高，致密層生長得較厚又需延長處理時(shí)間，消耗較多的能量，因此，膜層性能和能耗成為一對矛盾，制約著微弧氧化技術(shù)的工程應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決微弧氧化表面處理技術(shù)在鋁、鎂、鈦等輕金屬及其合金表面制備陶瓷膜層時(shí)不能同時(shí)具備低能耗和膜層高性能的問題，而提供一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法。本發(fā)明一種基于微弧 氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:一、基體材料的預(yù)處理:選擇300#砂紙 2000#砂紙中的兩種或者其中兩種以上型號(hào)砂紙對基體材料進(jìn)行逐級打磨,再將打磨后的基體材料水洗3min 5min，再用濃度為20g/L 100g/L的NaOH溶液堿洗5min IOmin,將堿洗后的基體材料放入丙酮或無水乙醇中，經(jīng)頻率為24KHz 40KHz的超聲波清洗Imin 3min，最后在去離子水中清洗2min 5min后，風(fēng)干或晾干，得到預(yù)處理后的基體材料；二、配制工作液:將主成膜劑、pH值調(diào)節(jié)劑、穩(wěn)定劑、著色劑和著色均勻劑加入到去離子水中，攪拌至完全溶解，得到pH為8 10的工作液；其中所述工作液中主成膜劑的濃度為5g/L 100g/L，所述工作液中穩(wěn)定劑的濃度為lg/L 10g/L，所述工作液中著色劑的濃度為3g/L 15g/L，所述工作液中著色均勻劑的濃度為lg/L 5g/L ；三、微弧氧化處理:將步驟一預(yù)處理后的基體材料置于步驟二配制的工作液中，以步驟一預(yù)處理后的基體材料為正極，工作液槽體作為負(fù)極，采用恒流方式或恒壓方式處理20min 60min，處理過程中保持工作液溫度為30°C 50°C，得到膜層厚度在IOym以上的工件，然后將工件在去離子水中進(jìn)行清洗3min IOmin,最后置于無水乙醇中，經(jīng)頻率為24KHz 40KHz的超聲波清洗5min IOmin后，自然晾干或者在溫度為30°C 50°C的條件下干燥5min 30min，即得到微弧氧化處理后的樣件；四、激光重熔處理MAO膜層:將步驟三制備的微弧氧化處理后的樣件裝卡至激光機(jī)床工作臺(tái)上，用Nd = YAG激光器或CO2激光器產(chǎn)生的高能激光束對微弧氧化處理的樣件進(jìn)行表面重熔處理，激光束掃描路徑為單層路徑掃描方式、網(wǎng)格循環(huán)方式或螺旋線循環(huán)方式，設(shè)置光斑能量密度為50J/mm2 400J/mm2，得到激光重熔后的樣件，然后對激光重熔后的樣件的膜層進(jìn)行拋光或打磨處理，即得·到具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件。本發(fā)明的工作原理:在工件陽極和槽體陰極之間采用無污染的導(dǎo)電液作為工作液，施加高壓脈沖，讓工件表面產(chǎn)生等離子體放電，在放電通道內(nèi)形成高溫高壓環(huán)境，通道附近的材料融化和氧化后，在原位生長出基體氧化物陶瓷，使得膜層和基體形成較好的結(jié)合力，但初期膜層硬度較低；激光重熔過程中，在激光束高能輻射作用下，光斑區(qū)域的微孔微裂紋等表面缺陷處吸取激光能量較多，高密度的熱能使此處先形成許多微小熔池，激光持續(xù)輸入能量后，熔池將往外生長、擴(kuò)張，相鄰熔池將會(huì)匯合，形成較大的重熔區(qū)，重熔區(qū)內(nèi)的熔融物在高溫條件下發(fā)生相變，生成硬度較高的陶瓷相物質(zhì)，同時(shí)熔融物質(zhì)流入疏松膜層內(nèi)的氣孔和空隙內(nèi)，疏松膜層被加熱至其熔點(diǎn)后開始融化，形成重熔層，冷卻后MAO疏松層變?yōu)榻M織致密的重熔層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):一、本發(fā)明基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，在基體表面可制備結(jié)合力好、組織致密、孔隙率低、硬度高且防腐和耐磨性能好的膜層；二、本發(fā)明激光重熔后改善MAO膜層的微觀形貌，使疏松層組織變得致密，提高膜層中高溫陶瓷相比例，提高膜層表面硬度，增強(qiáng)膜層的防腐和耐磨等陶瓷性能，同時(shí)極大的降低微弧氧化處理時(shí)間和能源消耗；三、本發(fā)明環(huán)保無污染；四、現(xiàn)有微弧氧化表面處理技術(shù)在鋁、鎂、鈦等輕金屬及其合金表面制備陶瓷膜層孔隙率在20%以上，而本發(fā)明對微弧氧化膜層進(jìn)行激光重熔處理后孔隙率可降至3%以下，硬度值可提高至未經(jīng)激光重熔處理的原MAO膜層的兩倍。


圖1為具體實(shí)施方式
一中步驟四激光重熔處理MAO膜層的系統(tǒng)原理圖；圖2為具體實(shí)施方式
一中步驟四激光重熔處理MAO膜層過程中激光束掃描路徑為單層路徑掃描方式時(shí)激光束掃描軌跡示意圖；圖3為具體實(shí)施方式
一中步驟四激光重熔處理MAO膜層過程中激光束掃描路徑為網(wǎng)格循環(huán)方式時(shí)激光束掃描軌跡示意圖；圖4為具體實(shí)施方式
一中步驟四激光重熔處理MAO膜層過程中激光束掃描路徑為螺旋線循環(huán)方式時(shí)激光束掃描軌跡示意圖；圖5為本試驗(yàn)步驟三制備的微弧氧化處理后的樣件的膜層截面微觀形貌圖；圖6為本試驗(yàn)制備的具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件的膜層截面形貌圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一:結(jié)合圖1 圖4，本實(shí)施方式一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:一、基體材料的預(yù)處理:選擇300#砂紙 2000#砂紙中的兩種或者其中兩種以上型號(hào)砂紙對基體材料進(jìn)行逐級打磨,再將打磨后的基體材料水洗3min 5min，再用濃度為20g/L 100g/L的NaOH溶液堿洗5min IOmin,將堿洗后的基體材料放入丙酮或無水乙醇中，經(jīng)頻率為24KHz 40KHz的超聲波清洗Imin 3min，最后在去離子水中清洗2min 5min后，風(fēng)干或晾干，得到預(yù)處理后的基體材料；二、配制工作液:將主成膜劑、pH值調(diào)節(jié)劑、穩(wěn)定劑、著色劑和著色均勻劑加入到去離子水中，攪拌至完全溶解，得到pH為8 10的工作液；其中所述工作液中主成膜劑的濃度為5g/L 100g/L，所述工作液中穩(wěn)定劑的濃度為lg/L 10g/L，所述工作液中著色劑的濃度為3g/L 15g/L，所述工作液中著色均勻劑的濃度為lg/L 5g/L ；三、微弧氧化處理:將步驟一預(yù)處理后的基體材料置于步驟二配制的工作液中，以步驟一預(yù)處理后的基體材料為正極，工作液槽體作為負(fù)極，采用恒流方式或恒壓方式處理20min 60min，處理過程中保持工作液溫度為30°C 50°C，得到膜層厚度在IOym以上的工件，然后將工件在去離子水中進(jìn)行清洗3min IOmin,最后置于無水乙醇中，經(jīng)頻率為24KHz 40KHz的超聲波清洗5min IOmin后，自然晾干或者在溫度為30°C 50°C的條件下干燥5min 30min，即得到微弧氧化處理后的樣件；四、激光重熔處理MAO膜層:將步驟三制備的微弧氧化處理后的樣件裝卡至激光機(jī)床工作臺(tái)上，用Nd = YAG激光器或CO2激光器產(chǎn)生的高能激光束對微弧氧化處理的樣件進(jìn)行表面重熔處理，激光束掃描路徑為單層路徑掃描方式、網(wǎng)格循環(huán)方式或螺旋線循環(huán)方式，設(shè)置光斑能量密度為50J/mm2 400J/mm2，得到激光重熔后的樣件，然后對激光重熔后的樣件的膜層進(jìn)行拋光或打磨處理，即得到具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件。本實(shí)施方式步驟一中打磨的目的是為了除去基體材料表面劃痕、氧化膜和污潰；步驟一中水洗的目的是除污；步驟一中用濃度為20g/L 100g/L的NaOH溶液堿洗的目的是除油；步驟一中將堿洗后的基 體材料放入丙酮或無水乙醇中超聲波清洗的目的是為了進(jìn)一步去除油潰和污物；步驟一中用去離子水清洗的目的是為了去除表面的殘留物質(zhì)。本實(shí)施方式步驟二中主成膜劑的濃度越高，膜層生長速度越快，一定時(shí)間內(nèi)成膜越厚，膜層表面也越粗糙度，膜層的孔隙尺寸也越大；步驟二中添加著色劑是為了加深膜層的顏色，增強(qiáng)膜層表面光滑區(qū)域?qū)す馐芰康奈兆饔茫颖砻娴奈⒖讓す饽芰砍尸F(xiàn)高吸收率，膜層表面黑化或者加深顏色可降低膜層表面孔隙處和非孔隙區(qū)域的溫差，降低膜層內(nèi)應(yīng)力，且使得重熔的均勻一致性好。本實(shí)施方式步驟三制備的微弧氧化處理后的樣件膜層厚度在15um以上，硬度超過 300HV。本實(shí)施方式步驟四中對激光重熔后的樣件的膜層用2000#以上砂紙進(jìn)行打磨處理。本實(shí)施方式步驟四中激光重熔能在激光束熱作用下改變材料的微觀形貌和相組成，激光重熔微弧氧化膜層后，封孔效果好，尤其是減少微弧氧化膜層中貫穿膜層表面和基體的通孔，使得膜層的防腐性能提高；重熔后膜層的組織變得致密，高溫陶瓷相比例提高，硬度提升，耐磨性得到改善。激光重熔過程中，膜層熔融物的熱量傳遞介質(zhì)為空氣和內(nèi)部陶瓷膜層，不同于能快速降溫的微弧氧化工作液環(huán)境，激光重熔能量利用率較高，且外部疏松層重熔后即為有效功能膜層，可以降低微弧氧化階段制備膜層的厚度，因此，結(jié)合微弧氧化與激光重熔工藝可以降低能耗，提高膜層致密層的比例，膜層與基體還具有較好的結(jié)合力。在激光重熔處理過程中，激光頭按照預(yù)設(shè)路徑掃描MAO涂層，設(shè)置合理的激光輸出功率、焦距和掃描速度，使得激光光斑能量密度介于涂層材料熔融下限閾值和涂層熱損傷閾值之間，重熔過程既不破壞性的燒結(jié)MAO涂層也不因輸入MAO涂層的能量不足而未達(dá)到重熔效果，重熔過程在密封、高壓環(huán)境中效果更佳。本實(shí)施方式步驟四中激光能量密度由激光器輸出功率，激光掃描速度以及激光束在膜層上形成的光斑的面積三個(gè)參數(shù)決定，在其他參數(shù)不變的情況下，激光器輸出功率決定了輻射區(qū)域的膜層溫度，為了達(dá)到重熔效果又不影響基體材料的組織，要求光斑區(qū)域膜層的激光加熱溫度在其熔點(diǎn)附近；掃描速度影響了光斑熔融物質(zhì)的保溫時(shí)間，適當(dāng)降低掃描速度有利于相變的發(fā)生，提高晶體陶瓷相材料的生成；設(shè)置激光重熔參數(shù)如下:調(diào)節(jié)Z軸坐標(biāo)，使得激光焦距至膜層表面距離為IOmm 15mm，激光功率為20W 300W，激光掃描速度為 2mm/s 100mm/s。本實(shí)施方式制備的具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件的激光重熔層厚度在5μπι以上，激光重熔后膜層硬度大于800HV。圖1為本實(shí)施方式步驟四激光重熔處理MAO膜層的系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)由激光器、聚焦透鏡、工作臺(tái)和Χ/Υ/Ζ軸及其數(shù)控系統(tǒng)組成。圖2為 本實(shí)施方式步驟四激光重熔處理MAO膜層過程中激光束掃描路徑為單層路徑掃描方式時(shí)激光束掃描軌跡示意圖；激光束掃描路徑為單層路徑掃描方式，如圖2所示的路徑規(guī)劃，激光光斑循環(huán)掃描，按照小于光斑直徑的步距前行，直至預(yù)設(shè)的重熔表面完全被處理，其中保持相鄰掃描帶之間的重疊率為10 50%。圖3為本實(shí)施方式步驟四激光重熔處理MAO膜層過程中激光束掃描路徑為網(wǎng)格循環(huán)方式時(shí)激光束掃描軌跡示意圖；激光束掃描路徑為網(wǎng)格循環(huán)方式，如圖3所示的路徑規(guī)劃，激光光斑循環(huán)掃描，按照小于光斑直徑的步距前行，直至預(yù)設(shè)的重熔表面完全被處理，其中保持相鄰掃描帶之間的重疊率為10% 50%。圖4為本實(shí)施方式步驟四激光重熔處理MAO膜層過程中激光束掃描路徑為螺旋線循環(huán)方式時(shí)激光束掃描軌跡示意圖；激光束掃描路徑為螺旋線循環(huán)方式，如圖4所示的路徑規(guī)劃，激光光斑循環(huán)掃描，按照小于光斑直徑的步距前行，直至預(yù)設(shè)的重熔表面完全被處理，其中保持相鄰掃描帶之間的重疊率為10% 30%。本實(shí)施方式的工作原理:在工件陽極和槽體陰極之間采用無污染的導(dǎo)電液作為工作液，施加高壓脈沖，讓工件表面產(chǎn)生等離子體放電，在放電通道內(nèi)形成高溫高壓環(huán)境，通道附近的材料融化和氧化后，在原位生長出基體氧化物陶瓷，使得膜層和基體形成較好的結(jié)合力，但初期膜層硬度較低；激光重熔過程中，在激光束高能輻射作用下，光斑區(qū)域的微孔微裂紋等表面缺陷處吸取激光能量較多，高密度的熱能使此處先形成許多微小熔池，激光持續(xù)輸入能量后，熔池將往外生長、擴(kuò)張，相鄰熔池將會(huì)匯合，形成較大的重熔區(qū)，重熔區(qū)內(nèi)的熔融物在高溫條件下發(fā)生相變，生成硬度較高的陶瓷相物質(zhì)，同時(shí)熔融物質(zhì)流入疏松膜層內(nèi)的氣孔和空隙內(nèi)，疏松膜層被加熱至其熔點(diǎn)后開始融化，形成重熔層，冷卻后MAO疏松層變?yōu)榻M織致密的重熔層。本實(shí)施方式基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，在基體表面可制備結(jié)合力好、組織致密、孔隙率低、硬度高且防腐和耐磨性能好的膜層。本實(shí)施方式激光重熔后改善MAO膜層的微觀形貌，使疏松層組織變得致密，提高膜層中高溫陶瓷相比例，提高膜層表面硬度，增強(qiáng)膜層的防腐和耐磨等陶瓷性能，同時(shí)極大的降低微弧氧化處理時(shí)間和能源消耗。本實(shí)施方式環(huán)保無污染?，F(xiàn)有微弧氧化表面處理技術(shù)在鋁、鎂、鈦等輕金屬及其合金表面制備陶瓷膜層孔隙率在20%以上，而本發(fā)明對微弧氧化膜層進(jìn)行激光重熔處理后孔隙率可降至3%以下，硬度值可提高至未經(jīng)激光重熔處理的原MAO膜層的兩倍。
具體實(shí)施方式
二:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是:步驟一中所述的基體材料為鎂、鋁、鈦、鎂合金、鋁合金或鈦合金。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是:步驟二中所述的主成膜劑Na2Si03、NaAlO2、Na3PO4和(NaPO3)6中的一種或其中幾種的混合物；步驟二中所述的PH值調(diào)節(jié)劑為KOH或NaOH ;步驟二中所述的穩(wěn)定劑為KF或NaF ;步驟二中所述的著色劑為鎢酸鈉、偏釩酸銨、硫酸銅或H3BO3;步驟二中所述的著色均勻劑為乙二胺四乙酸二鈉(ETDA-2Na)。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。本實(shí)施方式所述的主成膜劑為混合物時(shí)，各組分之間按任意比例混合。
具體實(shí)施方式
四:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是:步驟三中所述的恒流方式具體操作過程如下:在正向電流密度范圍為3A/dm2 40A/dm2、負(fù)向電流密度范圍為I A/dm2 8A/dm2 、頻率為50Hz IOOOHz和占空比為10% 70%的條件下處理20min 60min。其它與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
五:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是:所述的恒流方式為雙極性恒流模式或單極性恒流模式；所述雙極性恒流模式具體操作過程如下:在正向電流密度為3A/dm2 30A/dm2，負(fù)向電流密度為I A/dm2 5A/dm2，電源頻率為50Hz IOOOHz，負(fù)向占空比為10% 40%，正向占空比為10% 40%和脈沖間隙為10% 30%的條件下處理20min 60min ;所述單極性恒流模式具體操作過程如下:在正向電流密度為3A/dm2 30A/dm2，頻率為50Hz IOOOHz和正向占空比為10% 50%的條件下處理20min 60min。其它與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
六:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是:步驟三中所述的恒壓方式具體操作過程如下:在正向電壓范圍為400V 600V，負(fù)向電壓范圍為60V 200V，頻率為50Hz IOOOHz和占空比為10% 70%的條件下處理20min 60min。其它與
具體實(shí)施方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
七:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六之一不同的是:所述的恒壓方式為單極性恒壓模式或雙極性恒壓模式。其它與具體實(shí)施方式
一至六之一相同。
具體實(shí)施方式
八:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
七不同的是:所述單極性恒壓模式具體操作過程如下:在頻率為50Hz 1000Hz，正向占空比為10% 50%，電源電壓從300V逐級提高，最終將電壓升至為450V 600V的條件下處理20min 60min。其它與具體實(shí)施方式
七相同。
具體實(shí)施方式
九:本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
七不同的是:所述雙極性恒壓模式具體操作過程如下:在頻率為50Hz 1000Hz，正向占空比為10% 40%，負(fù)向占空比為10% 40%，正向電壓從300V逐級提高，最終將正向電壓升至450V 600V，負(fù)向電壓從60V逐級提高，最終將負(fù)向電壓升至80V 100V的條件下處理20min 60min。其它與具體實(shí)施方式
七相同。采用下述試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的效果:試驗(yàn)一:結(jié)合圖1和圖2，一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:一、基體材料的預(yù)處理:用600#、1000#和2000#砂紙對鋁合金逐級打磨,再將打磨后的鋁合金水洗5min，再用濃度為60g/L的NaOH溶液堿洗8min，將堿洗后的鋁合金放入丙酮中，經(jīng)頻率為40KHz的超聲波清洗3min，最后在去離子水中清洗5min后，晾干，得到預(yù)處理后的鋁合金；二、配制工作液:將Na2SiO3^ (NaP03)6、K0H、KF、鎢酸鈉和乙二胺四乙酸二鈉加入到去離子水中，攪拌至完全溶解，得到PH為8的工作液；其中所述工作液中CNa2Sl03為20g/L，所述工作液中C(Nap03)6為8g/L，所述工作液中KF的濃度為5g/L，所述工作液中鎢酸鈉的濃度為5g/L，所述工作液中乙二胺四乙酸二鈉的濃度為3g/L ；三、微弧氧化處理:將步驟一預(yù)處理后的鋁合金置于步驟二配制的工作液中，以步驟一預(yù)處理后的鋁合金為接電源正極，裝有工作液的不銹鋼槽體接電源負(fù)極，采用雙極性恒流模式，其中正向電流10A，負(fù)向電流4A，頻率500Hz，負(fù)向占空比40%，正向占空比40%，脈沖間隙為20%，處理40min，處理過程中保持工作液溫度為30°C 35°C，得到膜層厚度在18 μ m的工件，然后利用線切割機(jī)床將工件分割成尺寸為15mmX15mm的樣件，將樣件在去離子水中進(jìn)行清洗8min后,最后置于無水乙醇中，經(jīng)頻率為40KHz的超聲波清洗IOmin,直至表面潔凈后于溫度為50°C干燥的條件下干燥20min，即得到微弧氧化處理后的樣件；四、激光重熔處理MAO膜層:將步驟三制備的微弧氧化處理后的樣件裝卡至激光機(jī)床工作臺(tái)上，對微弧氧化處理后的`樣件采用Nd = YAG激光器進(jìn)行表面重熔處理，激光束掃描路徑為單層路徑掃描方式，如圖2所示，激光重熔參數(shù)如下:激光束焦點(diǎn)至膜層表面距離為12mm，激光功率23W，掃描速度為2mm/s 10mm/S，激光掃描重疊率為50%，得到激光重熔后的小樣件，然后對激光重熔后的樣件的膜層進(jìn)行打磨處理，即得到具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件。本試驗(yàn)步驟一中所述的招合金型號(hào)為6082,尺寸為IOOmmX50mmX4mm。MAO電源為哈爾濱迪斯數(shù)控設(shè)備有限公司研制，激光器是英國⑶S公司生產(chǎn)的，型號(hào)為 LUMONICSJK700。采用美國FEI公司生產(chǎn)的SIRION掃描電子顯微鏡(SEM)檢測本試驗(yàn)步驟三制備的微弧氧化處理后的樣件膜層的表面和截面的微觀形貌，檢測結(jié)果如圖5所示，圖5為本試驗(yàn)步驟三制備的微弧氧化處理后的樣件的膜層截面微觀形貌圖，由圖5可知，微弧氧化處理后的樣件的膜層變現(xiàn)為疏松多孔，致密層薄且組織內(nèi)部多裂紋等特征，經(jīng)ImageJ2x圖像處理軟件分析后得到其孔隙率為25.01%。采用美國FEI公司生產(chǎn)的SIRION掃描電子顯微鏡(SEM)檢測本試驗(yàn)制備的具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件膜層的表面和截面的微觀形貌，檢測結(jié)果如圖6所示，圖6為本試驗(yàn)制備的具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件的膜層截面形貌圖，由圖6可知，進(jìn)行激光重熔處理后得到的具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件膜層內(nèi)部的氣孔和裂紋數(shù)目減少，致密性明顯提高，膜層表面也變得光滑，經(jīng)ImageJ2x圖像處理軟件分析后得到其孔隙率為2.11%。 采用日本朱氏社所的DUH-W201S超顯微硬度計(jì)檢測本試驗(yàn)步驟三制備的微弧氧化處理后的樣件的膜層硬度和本試驗(yàn)制備的具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件的膜層硬度，檢測數(shù)據(jù)如下:本試驗(yàn)步驟三制備的微弧氧化處理后的樣件的膜層硬度為432HV，本試驗(yàn)制備的具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件的膜層硬度為963HV，可知，經(jīng)過激光重熔處理MAO膜層后，硬度提·高了 123%。
權(quán)利要求
1.一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，其特征在于基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法是按以下步驟進(jìn)行的: 一、基體材料的預(yù)處理:選擇300#砂紙 2000#砂紙中的兩種或者其中兩種以上型號(hào)砂紙對基體材料進(jìn)行逐級打磨,再將打磨后的基體材料水洗3min 5min，再用濃度為20g/L 100g/L的NaOH溶液堿洗5min lOmin，將堿洗后的基體材料放入丙酮或無水乙醇中，經(jīng)頻率為24KHz 40KHz的 超聲波清洗Imin 3min,最后在去離子水中清洗2min 5min后，風(fēng)干或晾干，得到預(yù)處理后的基體材料； 二、配制工作液:將主成膜劑、pH值調(diào)節(jié)劑、穩(wěn)定劑、著色劑和著色均勻劑加入到去離子水中，攪拌至完全溶解，得到pH為8 10的工作液；其中所述工作液中主成膜劑的濃度為5g/L 100g/L，所述工作液中穩(wěn)定劑的濃度為lg/L 10g/L，所述工作液中著色劑的濃度為3g/L 15g/L，所述工作液中著色均勻劑的濃度為lg/L 5g/L ； 三、微弧氧化處理:將步驟一預(yù)處理后的基體材料置于步驟二配制的工作液中，以步驟一預(yù)處理后的基體材料為正極，工作液槽體作為負(fù)極，采用恒流方式或恒壓方式處理20min 60min，處理過程中保持工作液溫度為30°C 50°C，得到膜層厚度在IOym以上的工件，然后將工件在去離子水中進(jìn)行清洗3min IOmin,最后置于無水乙醇中，經(jīng)頻率為24KHz 40KHz的超聲波清洗5min IOmin后，自然晾干或者在溫度為30°C 50°C的條件下干燥5min 30min，即得到微弧氧化處理后的樣件； 四、激光重熔處理MAO膜層:將步驟三制備的微弧氧化處理后的樣件裝卡至激光機(jī)床工作臺(tái)上，用Nd = YAG激光器或CO2激光器產(chǎn)生的高能激光束對微弧氧化處理的樣件進(jìn)行表面重熔處理，激光束掃描路徑為單層路徑掃描方式、網(wǎng)格循環(huán)方式或螺旋線循環(huán)方式，設(shè)置光斑能量密度為50J/mm2 400J/mm2，得到激光重熔后的樣件，然后對激光重熔后的樣件的膜層進(jìn)行拋光或打磨處理，即得到具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，其特征在于步驟一中所述的基體材料為鎂、鋁、鈦、鎂合金、鋁合金或鈦合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，其特征在于步驟二中所述的主成膜劑Na2Si03、NaA102、Na3PO4和(NaPO3)6中的一種或其中幾種的混合物；步驟二中所述的PH值調(diào)節(jié)劑為KOH或NaOH ;步驟二中所述的穩(wěn)定劑為KF或NaF ;步驟二中所述的著色劑為鎢酸鈉、偏釩酸銨、硫酸銅或H3BO3 ;步驟二中所述的著色均勻劑為乙二胺四乙酸二鈉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，其特征在于步驟三中所述的恒流方式具體操作過程如下:在正向電流密度范圍為3A/dm2 40A/dm2、負(fù)向電流密度范圍為lA/dm2 8A/dm2、頻率為50Hz 1000Hz和占空比為10% 70%的條件下處理20min 60min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，其特征在于所述的恒流方式為雙極性恒流模式或單極性恒流模式；所述雙極性恒流模式具體操作過程如下:在正向電流密度為3A/dm2 30A/dm2，負(fù)向電流密度為IA/dm2 5A/dm2，電源頻率為50Hz 1000Hz，負(fù)向占空比為10% 40%，正向占空比為10% 40%和脈沖間隙為10% 30%的條件下處理20min 60min ;所述單極性恒流模式具體操作過程如下:在正向電流密度為3A/dm2 30A/dm2，頻率為50Hz 1000Hz和正向占空比為10% 50%的條件下處理20min 60min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，其特征在于步驟三中所述的恒壓方式具體操作過程如下:在正向電壓范圍為400V 600V，負(fù)向電壓范圍為60V 200V，頻率為50Hz IOOOHz和占空比為10% 70%的條件下處理20min 60min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，其特征在于所述的恒壓方式為單極性恒壓模式或雙極性恒壓模式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，其特征在于所述單極性恒壓模式具體操作過程如下:在頻率為50Hz 1000Hz，正向占空比為10% 50%，電源電壓從300V逐級提高，最終將電壓升至為450V 600V的條件下處理20min 60min。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，其特征在于所述雙極性恒壓模式具體操作過程如下:在頻率為50Hz 1000Hz，正向占空比為10% 40%，負(fù)向占空比為10% 40%，正向電壓從300V逐級提高，最終將正向電壓升至450V 600V，負(fù)向電壓從60V逐級提高，最終將負(fù)向電壓升至80V 100V的條件下處理20min 60 min。
全文摘要
一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的制備方法，它涉及一種在鎂、鋁、鈦等輕金屬及其合金表面制備致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的方法。本發(fā)明是要解決微弧氧化表面處理技術(shù)在鋁、鎂、鈦等輕金屬及其合金表面制備陶瓷膜層時(shí)不能同時(shí)具備低能耗和膜層高性能的問題。方法一、基體材料的預(yù)處理；二、配制工作液；三、微弧氧化處理；四、激光重熔處理MAO膜層；即得具有致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層的樣件。本發(fā)明制備的膜層與基體結(jié)合力好、組織致密、孔隙率低、硬度高且防腐和耐磨性能好；孔隙率可降至3%以下，硬度值可提高至未經(jīng)激光重熔處理的原MAO膜層的兩倍。本發(fā)明可用于在鎂、鋁、鈦等輕金屬及其合金表面制備致密性增強(qiáng)型陶瓷膜層。
文檔編號(hào)C25D11/30GK103233258SQ201310157270
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者狄士春, 喻杰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)