[发明专利]一种复合陶瓷涂层的制备方法

说明书

本申请是申请号为201210143986.9、申请日2012年05月10日的发明专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及在铝合金零部件的工作面上制备一种具有隔热性能优异的复合陶瓷涂层的方法及其系统。

背景技术

铝合金作为替代钢等金属材料以减轻零部件的重量已经在工业上得到大量应用和提倡，但是铝合金存在熔点低、传热快、高温易氧化等缺陷。氧化锆作为优异的隔热涂层得到各国的重视，并进行了大量的研究，但是由于其自身特性和制备工艺的限制，现有技术主要通过等离子喷涂、物理气相沉积等技术手段进行涂层制备，等离子喷涂、物理气相沉积等方法都是将氧化锆熔化后在蒸发沉积到基体表面，由于铝合金材料特性决定了难以采用常规方法在其表面制备氧化锆陶瓷涂层。

总的说来，氧化锆陶瓷涂层现有制备工艺存在涂层结合力不足、容易脆裂，故使用寿命不长，且现有制备工艺如等离子喷涂、电子束物理气相沉积等技术手段由于需要高温熔化氧化锆再蒸发沉积到工件基体表面，故只能在钢、复合材料等高熔点材料表面制备涂层，且由于涂层与基体之间热膨胀系数的差异易造成涂层冷却到室温过程中产生裂纹，影响涂层结合力，限制了氧化锆在铝合金等轻合金材料表面的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有优异隔热性能、使用寿命长的复合陶瓷涂层的制备方法。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：它包括依次对铝合金元件表面进行预处理、制备铝合金元件表面起弧阻挡层、制备铝合金表面隔热复合陶瓷涂层和后处理；所述铝合金元件表面起弧阻挡层的制备是在以NaOH、Na₂SiO₃、(NaPO₃)₆、K₂ZrF₆组成的去离子水电解液体系中进行涂层，所述涂层是以铝合金元件工装夹于高压直流脉冲电源的阳极、铝合金元件工装连接于电源的阴极，涂层制备起弧阻挡层，其中电流密度3～5A/dm²，频率800～1000Hz，正脉冲的脉宽30％～50％，处理时间20～45min；在制备铝合金元件表面的起弧阻挡层后，进行铝合金表面隔热复合陶瓷涂层的制备，具体是将所述表面具有起弧阻挡层的铝合金元件在以NaOH、Na₂SiO₃、(NaPO₃)₆、Zr(NO₃)₄、Y(NO₃)₃、Al(NO₃)₃，以及纳米ZrO₂和水性耐高温无机粘结剂为组成成分的去离子水电解液体系中进行涂层，所述涂层是将制备有起弧阻挡层的铝合金工件装夹于高压直流脉冲电源的阴极，工装连接于电源的阳极，同时加入正、负向电压，其中电流密度5～8A/dm²，频率800～1200Hz，正脉冲的脉宽取20％～50％，正负脉冲比1:1、1:2或2:1，处理时间30～100min。

上述铝合金表面隔热复合陶瓷涂层制备的去离子水电解液体系中，上述纳米ZrO₂优选为粒径20-40nm的纳米ZrO₂，其加入量优选为27-33g/L(进一步优选为30g/L)；为了进一步提高最终制得的涂层的耐高温性能，上述水性耐高温无机粘合剂优选为纳米稀土氧化物复合水性无机粘结剂，所述纳米稀土氧化物复合水性无机粘结剂是在水性耐高温胶中加入重量百分比为0.5％～1％的氧化镧、氧化钇或/和氧化铈经聚缩反应制得的耐高温复合水性无机粘结剂，为市售产品(如北京志盛威华科技发展有限公司生产的纳米稀土氧化物水性耐高温无机粘合剂ZS-1071)，其用量为31-33g/L(优选为32g/L)。

上述各成分均为市售产品；按以上制备方法首先制得的是Al₂O₃质量百分含量为88％-95％作为Al₂O₃主相、ZrO₂质量百分含量为5-12％的铝合金元件表面起弧阻挡层，最终制得的是ZrO₂质量百分含量为75％-85％作为ZrO₂主相、Y₂O₃质量百分含量为5-10％、Al₂O₃质量百分含量为10-20％的铝合金表面隔热复合陶瓷涂层。