[发明专利]利用陶瓷颗粒化学自烧结微弧氧化技术制备纳米陶瓷涂层的方法

说明书

本发明公开了一种利用陶瓷颗粒化学自烧结微弧氧化技术制备纳米陶瓷涂层的方法，属于金属表面处理技术领域。该方法以铝合金或铝基复合材料为基体，将具有自燃烧特性的燃烧剂接枝在SiO₂颗粒表面，在等离子火花的放电作用下，燃烧剂将瞬间被点燃放热，其燃烧放出的热量，促进了纳米硬质颗粒SiO₂的化学烧结反应，解决了传统铝合金微弧氧化膜表面疏松层硬度低、耐磨性差的技术问题，从而在基体材料表面制备了高硬度高耐磨的单致密纳米复合微弧氧化涂层。利用此方法制备的纳米化陶瓷涂层具有极高的表面硬度，极低的表面摩擦系数以及优良的抗冷热冲击性能，同时表现出良好的耐霉菌、湿热、以及耐中性和酸性盐雾的能力。

技术领域

本发明涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种利用陶瓷颗粒化学自烧结微弧氧化技术制备纳米陶瓷涂层的方法。

背景技术

微弧氧化虽然从普通阳极氧化发展而来，但它将工作区由普通阳极氧化的法拉第区域引入到了高压放电区，这是对阳极氧化技术的突破。它将工作电压由普通的几十伏提高到几百伏，施加电压的形式也由直流到连续脉冲，再发展到的交流，致使在样品表面出现电晕、辉光、火花放电、甚至微弧放电等现象。采用微弧氧化技术对铝、钛等阀金属及其合金材料进行表面强化处理，具有工艺简单、使用设备少、重复性好、处理能力强、生产效率高、适用于工业化生产等优点。由于该技术大多采用弱碱性溶液，不含有毒物质和重金属元素，且电解液具有重复使用率高等特点，因而对环境污染小，满足优质清洁生产的需要。

虽然，微弧氧化技术制备的微弧氧化层在硬度、耐磨性、耐蚀性等方面均有极佳的强化效果。然而微弧氧化层外表层疏松多孔，使其耐磨性仍无法达到苛刻环境中的应用要求。因此，很多研究致力于类比电镀、阳极氧化等技术，将功能性颗粒加入到金属基陶瓷层中来得到性能更优的复合陶瓷层，索相波利用SiO₂颗粒在铝合金表面制备了含有少量SiO₂颗粒的微弧氧化复合层，证明纳米SiO₂颗粒与微弧氧化层能够复合生长到一起且膜层完整；马世宁等通过实验证明了SiO₂颗粒的添加可以增加微弧氧化层的生长速度。目前，通过在电解液中加入硬质强化颗粒，制备出含硬质颗粒的复合膜层成为铝合金微弧氧化的一个重要的研究方向。许多研究者发现，将ZrO₂引入到微弧氧化膜层中，可以明显提高该膜层的硬度、耐磨性等。其中，Chia-Jung Hu等人在偏矾酸铵的硅酸钠电解中添加硬质ZrO₂纳米颗粒制备微弧氧化膜层，发现没有添加ZrO₂颗粒时，制备膜层的表面硬度仅为400～500HV，当添加2g/L ZrO₂时，膜层的硬度可达700～800HV，而当ZrO₂颗粒的含量达到6g/L时，其显微硬度提高到950HV，同时，摩擦系数也从最初的0.5降到0.2左右。可见，添加硬质陶瓷颗粒可明显提高微弧氧化膜的表层硬度和降低其摩擦系数。但是，目前采用该方法制备的膜层厚度较薄，且ZrO₂颗粒在膜层中是独立存在的，不能与微弧氧化膜的主要成份Al₂O₃形成化学反应，导致膜层硬度分布的均匀性和稳定性受限。

综合国内外研究现状可见，如何进一步降低或者完全去除微弧氧化表面疏松层，同时，通过共沉积技术在微弧氧化膜内复合纳米硬质颗粒，是提高微弧氧化膜的表面硬度和耐磨性最有效的方法和途径。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处，提供一种利用陶瓷颗粒化学自烧结微弧氧化技术制备纳米陶瓷涂层的方法。所制备的纳米陶瓷涂层主要由α-Al₂O₃和Al₆Si₂O₁₃(Al₂SiO₅)组成，该陶瓷涂层不仅与基体结合牢固，而且涂层的致密度不低于95％；整个微弧氧化膜层为单致密层结构，具有较高的硬度、耐磨性和耐酸性腐蚀能力，大幅度提高铝合金的综合防护性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：