[发明专利]一种制备钛合金表面防污损陶瓷膜电解液及微弧氧化方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体涉及钛合金表面微弧氧化处理，特别是涉及一种微弧氧化法制备钛合金表面耐磨耐蚀防生物污损陶瓷膜的电解液及具体的微弧氧化操作方法。

背景技术

对于在海洋环境中使用的大多数设备和材料，由于各种微生物和海洋生物附着和增殖而造成生物污损和微生物腐蚀，导致它们的使用性能和寿命显著降低。生物污损会增加管壁和舰船外壳的动力阻力，增加热交换器的热阻和水压，导致过滤器等多孔元件的堵塞。资料表明，0.1mm厚的生物膜就会增加摩擦阻力10%以上；1mm厚的微生物粘膜，其摩擦阻力增加80%，使船速降低10%。此外，微生物诱发的腐蚀现象也非常严重，仅因硫酸盐还原菌产生的硫化氢的腐蚀作用就使石油工业的生产、运输和贮存设备每年遭受数亿美元的损失。迄今为止，控制生物污损和微生物腐蚀的唯一有效措施是使用杀菌剂，但是由于环保问题，化学杀菌剂的使用越来越受到限制。因此，开发新型有效的符合环保要求的防生物污损和微生物腐蚀的措施势在必行。

随着海洋石油钻探与开采的快速发展，钛合金部件如钛泵、阀、接头、紧固件、夹具和零配件等的应用越来越多，使得石油钻探可以进入更深的水域和油井，并适应更高的温度和腐蚀更严重的生产环境。国外海上石油勘探测井仪器外壳上也大量使用了钛合金。尽管钛合金具有优异的耐腐蚀性能，但作为海洋石油装备材料，在海洋环境下长期服役，钛合金与异种金属表面发生接触腐蚀、磨损及生物污损是难以避免的。因此采取措施对钛合金表面进行保护，提高其在海洋石油环境中的耐磨耐蚀防止生物污损性能非常必要。

中国专利公开号为CN102409353A，公开日为2012年4月11日，申请日为2011年11月15日，发明创造名称为“一种分布式钛合金管路电解防污装置”，申请人是中国船舶重工集团公司第七二五研究所，该申请案中公开了一种分布式钛合金管路电解防污装置，包括直流电源、电解阳极、法兰式阴极、电缆、开关元件和钛合金管路，通过电解海水产生氯气和次氯酸根防污剂，达到防污目的。不足之处是装置复杂，影响海洋石油装备的生产作业，也没有耐磨耐蚀作用。《材料开发与应用》杂志2012年第27卷第6期第48-53页刊登了中国船舶重工集团公司第七二五研究所撰写的“钛合金表面微弧氧化纳米防污涂层及性能研究”的论文，主要介绍了一种采用微弧氧化技术在Ti-6Al-3Nb-2Zr合金表面制备出纳米防污陶瓷涂层的方法，其电解液由磷酸盐、防污剂和去离子水混合配制。但文中没有提及电解液的具体成分及配比，也没有给出微弧氧化处理的具体工艺参数。

微弧氧化是一种在Mg、Al、Ti等阀金属及其合金表面原位生长氧化物陶瓷膜的新技术。采用微弧氧化技术可在钛合金表面原位生成一层陶瓷绝缘层，显著改善钛合金的耐蚀性、耐磨性及绝缘性。如果电解液中含有防生物污损的元素，在微弧氧化过程中防生物污损的元素也会参加反应，生成的陶瓷膜也会具有防生物污损的功能。氧化亚铜是使用历史最悠久的防生物污损剂之一。氧化亚铜在海水中会发生分解产生铜离子，而溶解于海水中的铜离子能使生物赖以生存的主酶失去活性或直接使生物的细胞蛋白质转变成金属蛋白质沉淀物，使生物组织发生变化而死亡。氧化亚铜作为防生物污损剂具有安全、价廉等优点，在整个防生物污损涂料的发展进程中发挥着重要作用。

本发明开发一种采用微弧氧化法制备钛合金表面耐磨耐蚀防生物污损陶瓷膜电解液，并通过一系列简单的操作过程将氧化亚铜的防污作用与钛合金微弧氧化陶瓷膜的耐磨耐蚀性有机结合起来，制备同时具有耐磨耐蚀和防海洋生物污损的多功能表面陶瓷膜。其工艺过程简单，成本低，实用性强，适合工业化生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服钛合金在海洋恶劣的服役环境中易与异质金属发生接触腐蚀、易磨损及易产生海洋生物污损及生物腐蚀等问题，提供一种采用微弧氧化法制备钛合金表面耐磨耐蚀防生物污损陶瓷膜的电解液以及具体的微弧氧化操作方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

微弧氧化法制备钛合金表面耐磨耐蚀防生物污损陶瓷膜电解液中包含：铝酸钠、氟化钠、氢氧化钾、硫酸铜及络合剂。按质量与总体积比，电解液中铝酸钠、氟化钠和氢氧化钾的浓度均为1-10g/L，五水硫酸铜的浓度为0.5-5g/L。电解液中络合剂为乙二胺四乙酸钠、氨水之一种或两种，按质量与总体积比，二水乙二胺四乙酸钠浓度为0.5-5g/L，氨水浓度为0-60mL/L。

采用本电解液处理钛合金试样表面的工艺流程为：