[发明专利]一种基于微弧氧化和激光重熔的致密性增强型陶瓷膜层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在镁、铝、钛等轻金属及其合金表面制备致密性增强型陶瓷膜层的方法。

背景技术

微弧氧化表面处理技术在铝、镁、钛等轻金属及其合金表面制备的陶瓷膜层与基体具有较好的结合力，大幅度的提高表面硬度，能改善基体的耐磨、防腐、绝缘和隔热性能，且工作液为环保型，反应在常温、常压下进行，因此，该技术具有较好的应用前景。目前，制约微弧氧化技术应用的主要障碍为工艺的高能耗，尤其是在制备表面硬度高的膜层此问题表现尤为突出，微弧氧化过程大部分时间为微弧放电阶段，如铝合金材料微弧放电电压通常在380V～550V之间，电流密度8A/dm²～20A/dm²之间，硬质膜层处理时间通常在90min以上，长时间的高压放电过程使得微弧氧化能耗高，使其成本较高，并且膜层外部留下大量的放电通道，形成疏松多孔的组织，且主要由非结晶相的基体氧化物组成，内部致密层的耐磨、防腐等性能较好，但致密层通常占整体膜层的比例不高，致密层生长得较厚又需延长处理时间，消耗较多的能量，因此，膜层性能和能耗成为一对矛盾，制约着微弧氧化技术的工程应用。

发明内容

本发明是要解决微弧氧化表面处理技术在铝、镁、钛等轻金属及其合金表面制备陶瓷膜层时不能同时具备低能耗和膜层高性能的问题，而提供一种基于微弧氧化和激光重熔的致密性增强型陶瓷膜层的制备方法。

本发明一种基于微弧氧化和激光重熔的致密性增强型陶瓷膜层的制备方法，按以下步骤进行：

一、基体材料的预处理：选择300^#砂纸～2000^#砂纸中的两种或者其中两种以上型号砂纸对基体材料进行逐级打磨，再将打磨后的基体材料水洗3min～5min，再用浓度为20g/L～100g/L的NaOH溶液碱洗5min～10min，将碱洗后的基体材料放入丙酮或无水乙醇中，经频率为24KHz～40KHz的超声波清洗1min～3min，最后在去离子水中清洗2min～5min后，风干或晾干，得到预处理后的基体材料；

二、配制工作液：将主成膜剂、pH值调节剂、稳定剂、着色剂和着色均匀剂加入到去离子水中，搅拌至完全溶解，得到pH为8～10的工作液；其中所述工作液中主成膜剂的浓度为5g/L～100g/L，所述工作液中稳定剂的浓度为1g/L～10g/L，所述工作液中着色剂的浓度为3g/L～15g/L，所述工作液中着色均匀剂的浓度为1g/L～5g/L；

三、微弧氧化处理：将步骤一预处理后的基体材料置于步骤二配制的工作液中，以步骤一预处理后的基体材料为正极，工作液槽体作为负极，采用恒流方式或恒压方式处理20min～60min，处理过程中保持工作液温度为30℃～50℃，得到膜层厚度在10μm以上的工件，然后将工件在去离子水中进行清洗3min～10min，最后置于无水乙醇中，经频率为24KHz～40KHz的超声波清洗5min～10min后，自然晾干或者在温度为30℃～50℃的条件下干燥5min～30min，即得到微弧氧化处理后的样件；

四、激光重熔处理MAO膜层：将步骤三制备的微弧氧化处理后的样件装卡至激光机床工作台上，用Nd:YAG激光器或CO₂激光器产生的高能激光束对微弧氧化处理的样件进行表面重熔处理，激光束扫描路径为单层路径扫描方式、网格循环方式或螺旋线循环方式，设置光斑能量密度为50J/mm²～400J/mm²，得到激光重熔后的样件，然后对激光重熔后的样件的膜层进行抛光或打磨处理，即得到具有致密性增强型陶瓷膜层的样件。

本发明的工作原理：在工件阳极和槽体阴极之间采用无污染的导电液作为工作液，施加高压脉冲，让工件表面产生等离子体放电，在放电通道内形成高温高压环境，通道附近的材料融化和氧化后，在原位生长出基体氧化物陶瓷，使得膜层和基体形成较好的结合力，但初期膜层硬度较低；激光重熔过程中，在激光束高能辐射作用下，光斑区域的微孔微裂纹等表面缺陷处吸取激光能量较多，高密度的热能使此处先形成许多微小熔池，激光持续输入能量后，熔池将往外生长、扩张，相邻熔池将会汇合，形成较大的重熔区，重熔区内的熔融物在高温条件下发生相变，生成硬度较高的陶瓷相物质，同时熔融物质流入疏松膜层内的气孔和空隙内，疏松膜层被加热至其熔点后开始融化，形成重熔层，冷却后MAO疏松层变为组织致密的重熔层。