[发明专利]一种锆合金表面快速制备耐磨氧化锆和氧化铝混合涂层的微弧氧化方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，进一步是指锆合金表面快速制备耐磨ZrO₂/Al₂O₃混合涂层的微弧氧化方法。 

背景技术

锆合金是一种阀金属，以其突出的核性能良好的耐蚀性、生物相容性等被广泛应用于高科技技术领域，由于锆合金的热中子吸收截面低，有良好的抗中子辐照能力，与UO₂有良好的相容性，且在高温高压水和蒸汽中耐腐蚀良好，以及具有合适的强度和延展性、足够的高温强度等特点。因此，被普遍用作核动力堆的燃料包壳和堆内结构部件。并且锆合金在人体植入材料领域也具有很重要的价值。但锆合金的耐磨性能低于不锈钢、镍合金等其他核工业用材料，且锆合金服役的核反应堆内的工况条件十分恶劣，受高温高压水、强烈的中子辐照、电化学、复杂的机械应力以及核燃料的裂变气体等的影响，面临着很严重的腐蚀及摩擦情况，所以对锆合金的摩擦及其耐腐蚀性提出了很高的要求。此外在生物医学领域，如全髋关节置换术（total hip arthroplasty,THA）、全膝关节置换术（Total Knee arthroplasty TKA）中，植入材料受到很高的载荷（人体自重），迫切需要提高锆合金的耐磨能力。微弧氧化技术可以在锆合金表面生成不同厚度的氧化膜，极大地提高锆合金的耐磨、耐蚀性能。 

微弧氧化技术又称等离子电解氧化（Plasma electrolytic oxidation），是从传统阳极氧化基础上发展起来的一种的新型表面改性技术，该技术源于100多年前电解过程的火花放电现象的发现，但其实际应用直到上世纪60到70年代才由前苏联学者开发利用，其后德国、美国、中国等国的科学家也进行了早期研究。该技术运用于铝、镁合金的研究较多，但对锆合金来说研究较少，该技术目前仍是国际研究的热点。同其他表面处理技术相比，等离子电解氧化具有以下明显优势： 

（1）  等离子电解氧化技术可用于各种复杂形状的工件。

（2）  等离子电解氧化膜在金属表面原位生长，膜层与基体金属结合力好，不易脱落。 

（3）  膜层厚度受处理时间控制，最大可达200-300μm。 

（4）  装置简单，占地面积小。工艺流程简单，易操作。前处理工序少，处理效率高，适合自动化生产。 

（5）  电解液可以重复使用，对环境污染少，符合当今环保要求。 

在核工业领域，锆合金材料表面的氧化膜不宜太厚（而在其他领域的应用没有这个要求），因为氧化锆的热导率低，将会影响核反应堆的包壳材料的导热性能，因此有必要开发锆合金表面的高性能薄的膜层。 

氧化锆有三种晶型：立方相(c-ZrO₂)、四方相(t-ZrO₂)和单斜相(m-ZrO₂)。前两种是高温相，单斜相是室温稳定相。四方相在一定的条件下也可以在常温存在。微弧氧化膜中常常会存在一定量的四方相和单斜相。四方相向单斜相转变属于马氏体相变，会产生体积膨胀，因此，含有单斜相的膜层中往往会存在微裂纹，从而影响微弧氧化膜的性能。如果能使四方相在常温下稳定下来，将会减少膜层的裂纹从而提高膜层的耐磨性。