[发明专利]铝合金异型件表面快速原位生长超薄耐磨涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金表面涂层的制备方法。

背景技术

随着航天器在军事、科学、生活等领域的发展，其设计逐渐从单功能化向多功能化转变，由此使得航天器的有效载荷不断增加，因此，对航天器结构部件轻量化提出了更高要求，寻求质轻而抗磨损的材料和相应技术手段予以解决航天器结构部件周期磨损的问题，以应对现今航天器轻量化和大型化的发展理念。高强度、低密度材料是航天器结构设计理念的首选，以此作为提高航天器结构效益的基准。在所有的结构材料中，铝合金是质轻且成本低的金属，具有密度小（1.82g/cm³）、塑性好、比模量和比强度高，以及优良的导电性、导热性和抗蚀性，是航天器上最主要的结构材料之一，但在存储、装备和运作过程中易产生磨损，因此，提高铝合金的抗磨损以及膜层结合强度尤为重要。

金光、李玉海等在2009年第5期的《金属热处理》上发表的文章《LY12铝合金天蓝色微弧氧化膜层的制备及其耐磨性能》中采用100g/L Na₂SiO₃和5g/L CoSO₄为电解液，采用恒压法，在电压500V的条件下氧化8min，在LY12铝合金表面制备了微弧氧化厚度为24μm的陶瓷膜膜层，电解液中的Co离子起到了对膜层的着色作用，且在膜层生长过程中，稍微过量的Co离子（8g/l）易导致击穿过程中电弧分布不均匀、局部放电严重，以致膜层表面凹凸不平，局部有基体露出，这可以从SEM分析中看出，因此CoSO₄的添加并未起到提高膜层耐磨性的作用；单纯的主成膜剂Na₂SiO₃不能有效地提高膜层耐磨性，在无pH调节剂和辅助抑弧剂的情况下，局部放电严重，造成表面孔洞大小不一，凹凸不平以致不够光滑；在最佳的电解液和电参数配比下，所得的膜层摩擦系数为0.65，不足以满足航天器对LY12铝合金埋件表面处理的要求。

魏同波等在2004年第2期的《材料研究学报》上发表的文章《LY12铝合金微弧氧化陶瓷层的结构和耐磨性能》中以Na₂SiO₃和KOH配制电解液，在电流密度6A/dm²的条件下在LY12铝合金表面制备了微弧氧化膜层，文章指出该方法的“微弧氧化膜层耐磨性随膜厚度的增加而增长，氧化陶瓷膜具有很高的硬度，从表层到基体，断面显微硬度先增大后减小，氧化膜与基体结合紧密，其临界载荷随致密层厚度的增加线性增加，微弧氧化陶瓷膜具有优异的抗磨性能随着载荷的增加，摩擦系数降低，磨损量增加”，该方法在铝合金上所生成的微弧氧化膜层呈梯度结构，从内向外为过渡层、致密层和疏松层，疏松层的耐磨性很差，极易磨损，所以文章中在100μm的膜层厚度下，起初磨损率较大，耐磨性较差，直至磨损到达致密层后磨损率才有所降低；此文章的电解液配方较为简单，在短时间内所得的膜层耐磨性较差，且氧化时间长，厚度过大时，表面的疏松层极易磨损，不符合航天器对LY12铝合金埋件的表面处理要求。

蒋百灵等在2009年第9卷第2期的《材料导报》上发表的文章《Na₂WO₄对铝合金微弧氧化陶瓷层形成过程及耐磨性的影响》中采用以磷酸盐和7g/L的Na₂WO₄为电解液，电流密度为2～5A/dm²，氧化时间为15min，在LY12铝合金表面制备了微弧氧化膜层。虽然所制备的膜层磨损量在后期趋于平缓，但膜层的磨损量在0.20μm左右，且在膜层厚度为9～11μm时，表面粗糙度可达0.45～0.55μm，这说明，在磷酸盐体系中所制备的膜层有明显磨损现象，而添加剂Na₂WO₄对膜层的耐磨性未起到决定性的作用，从相关文献中可以知道，Na₂WO₄对微弧氧化起弧阶段影响较大，微过量的WO₄^2-会使得起弧电压不利于膜层生长，不符合航天器对LY12铝合金埋件的耐磨性功能表面处理要求；

对于异型结构的航天器LY12铝合金结构零部件，如具有内螺孔的LY12铝合金埋件，要求其表面膜层厚度在10μm左右；膜层耐磨性好，即其摩擦系数为0.2以下，从而保证反复装卸膜层不脱落，不出现磨损现象，而现有的微弧氧化处理技术存在膜层厚、易磨损的缺陷，不足以满足航天器LY12铝合金零部件的要求，因而，在LY12铝合金表面快速生成超薄、耐磨、与基体结合强度高的涂层，且不损坏LY12铝合金本身的性能，是使表面处理技术在航天领域中得以应用的关键。