[发明专利]一种铝合金表面自润滑陶瓷涂层的原位制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金表面处理技术领域，特别是指一种通过等离子体电解氧化技术在铝合金表面原位制备具有自润滑特性陶瓷涂层的方法。

背景技术

铝合金由于具有比强度高、导热和导电性好、质量轻等优点，在航天航空、建筑、汽车等现代工业中具有广泛的应用前景。然而由于铝合金质软、耐磨性差等缺点的存在，使用前需进行必要的表面强化处理。

等离子体电解氧化(Plasma Electrolytic Oxidation，PEO)技术又被称为“微弧氧化”或“火花放电阳极沉积”等，它是将金属或合金置于电解液中，通过高电压、大电流的作用在电极表面原位烧结生成陶瓷层的一种电化学表面处理技术。通过该技术可以在铝、镁及钛等合金表面原位生长高强度、良好膜基结合强度的陶瓷涂层；且与其他表面处理技术相比，PEO技术具有成膜效率高、工艺过程简单、膜层性能可控及绿色环保等优点。采用该技术对铝合金进行表面处理，可以一定程度地克服铝合金基体质软、耐蚀和耐磨性差等缺点。然而由于PEO过程中火花放电烧结和熔融物的骤冷，陶瓷层中包含大量的微裂纹和孔洞等缺陷，干摩擦环境下的摩擦系数高达0.7以上。因而，在保证PEO陶瓷层高硬度、良好膜基结合强度的同时，进一步降低其摩擦系数、增加涂层的润滑性将使PEO技术在铝合金表面处理领域具有更广泛的应用前景。

目前针对降低PEO陶瓷层摩擦系数有多种方法。如在铝合金进行PEO氧化处理后，通过渗或涂等技术在氧化膜表面添加润滑性物质(如渗涂聚四氟乙烯)，或涂覆溅射石墨层，以降低涂层的摩擦系数。值得注意的是，在氧化电解液中直接添加润滑性物质(如，添加硫代钼酸铵、共生MoS2或石墨微粉)，通过工艺参数的控制，使润滑性物质在氧化过程中一同沉积到膜层之中，增加涂层润滑性，可获得具有低摩擦系数、良好耐蚀性的PEO陶瓷层。

上述研究已表明，石墨在氧化膜中的掺杂，可以显著降低PEO陶瓷涂层的摩擦系数，改善润滑性。然而，采用原位掺杂石墨等润滑性粉体材料制备PEO陶瓷层时，将面临如何使石墨等粉体在电解液中均匀分布并稳定存在等关键问题；但目前采用原位方法在铝合金表面制备自润滑性PEO陶瓷涂层时，尚缺少增加石墨粉体在电解液中稳定性以及参与反应过程可控性的有效手段。

发明内容

针对铝合金表面PEO陶瓷层摩擦系数高、润滑性差的缺点，本发明的目的在于提出一种铝合金表面自润滑陶瓷涂层的原位制备方法，该方法将具有润滑性的石墨粉体掺杂在电解液中，并通过对反应过程的控制，使石墨粉体参与PEO成膜反应中，使所得含有石墨相掺杂的PEO陶瓷层具有较好的耐磨性及低的摩擦系数，本发明因采用原位制备的方法，实现了润滑石墨相与PEO陶瓷层共沉积。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

为了保证石墨粉体能够均匀稳定的分散在碱性PEO电解液中并顺利参与PEO反应，采取表面改性的方法首先对石墨粉体进行氧化物包覆处理。考虑到铝合金进行PEO处理后膜层中存在大量氧化铝，因此选用氧化铝作为包覆层，制备石墨/氧化铝复合粉体。依据氧化物微粒在碱性电解液中带表面负电荷的特性不仅实现了石墨粉体在PEO电解液中均匀稳定的分散，而且使具有表面电荷的石墨粉体能够在电场作用下可控的参与成膜反应。

所述的石墨粉体表面改性方法可以采用非均匀成核法，该方法具体操作步骤如下：

步骤1：采用非均匀形核法制备石墨/氧化铝复合粉体

以十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂，用去离子水将天然鳞片状石墨配制成浓度为2-20g/L的悬浮液，用超声波分散处理，以氨水做缓冲溶液将石墨悬浮液的pH值调至7-11，之后加热石墨悬浮液至50-95℃；配制Al³⁺浓度为0.01-0.5mol/L的硫酸铝(Al₂(SO₄)₃)或硝酸铝(Al(NO₃)₃)溶液，并将其缓慢加入到加热后的石墨悬浮液中，在滴加过程中，剧烈搅拌且保持此液相介质保温一定时间使水解反应充分进行；而后反复进行洗涤、过滤，用水洗去除杂质离子，直至溶液呈中性，再经过滤制得氧化铝包覆的复合石墨粉体。

其反应式如下：Al₂(SO₄)₃+6OH^-+(n-3)H₂O→Al₂O₃·nH₂O↓+3SO₄^2-