[发明专利]超声辅助阴极等离子电解沉积涂层和表面处理方法及装置

说明书

一种超声辅助阴极等离子电解沉积涂层和表面处理的方法及装置，属于材料表面处理领域。先将无机酸加入适量蒸馏水中稀释后加入金属盐及水溶性高分子配制成电解液；再以金属基体为阴极，惰性电极为阳极，调整阴阳极水平间距，将阴极通过提拉装置控制速度浸入电解液；然后在阴阳极之间施加直流或脉冲电压，同时施加超声波进行涂层沉积或表面处理，将处理后的样品取出清洗干燥，即完成超声辅助阴极等离子电解沉积涂层或表面处理过程。本发明通过将液相放电等离子场和超声场耦合，可有效稳定等离子放电过程，减小能耗，减少因等离子不均匀放电沉积而形成的粗大颗粒，使涂层表面更为平整均匀，降低表面的粗糙度，可有效去除金属表面污染物和氧化物。

技术领域

本发明属于材料表面技术领域，特别涉及一种基于超声辅助阴极等离子电解沉积涂层和表面处理方法及装置。

背景技术

液相等离子体电解沉积技术是近十几年发展起来的一个新概念，因放电过程会同时产生强电场、强氧化自由基、紫外线和冲击波，使其拓展到了很多应用领域，例如材料表面清洗、刻蚀、膜层沉积、热处理、合成和焊接，以及环境治理、生物灭菌和医疗等。

阴极等离子电解沉积过程是基于液相等离子体电解沉积技术的阴极过程，具有设备简单、工艺高效的优点，近年来在涂层制备及表面处理领域备受关注。其原理是在阴、阳两电极之间施加一定的电压，当电压超过某一临界值时，高场强可以击穿电极附近界面处的气膜，该电极上发生的放电现象即为阴极等离子电解过程。电解等离子体导致气泡规律性的形成和溃灭，同时产生强烈的冲击波，并伴有材料表面薄层的局部熔化。在等离子体冲击波的作用下，可以实现清理材料表面、去除氧化物、有机物等并实现材料表面纳米化。此外，局部表面熔化和随后的淬火导致了超细晶粒形成和粗糙的表面轮廓，为随后的涂层处理提供了良好的附着表面。与传统电沉积、物理或化学气相沉积方法相比，由于有高能离子轰击的作用参与，阴极等离子体处理技术能够实现以更高的效率在金属表面沉积冶金结合的金属或合金涂层，以改善基体材料的表面性能，例如抗腐蚀性、耐磨损性能等，达到表面改性的目的。

阴极等离子电解沉积技术具有以下特点：

(1)在强电化学和高能等离子作用下，沉积速率远高于传统电镀。

(2)由于等离子放电产生的局部高温作用，沉积的金属涂层与基体之间可以形成很好的扩散结合层，属于冶金结合。

(3)阴极等离子电解方法沉积的金属涂层表面具有一层超细纳米晶结构，较普通涂层相比，具有优异的抗腐蚀性、耐磨性等性能。

(4)在高能等离子体轰击作用下，可以在中性溶液介质中实现金属表面快速清洗、除氧化皮、脱除有机和无机污染物等表面处理过程。

阴极等离子电解技术可以沉积各种金属和合金涂层或进行表面处理，且沉积涂层和表面处理不受基体金属的限制，可以实现在碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镁合金等基体上制备不同的涂层和表面处理。虽然阴极等离子电解沉积技术已实现多种涂层的制备和表面处理应用，但其仍然面临以下几个关键问题亟待解决：一是由于沉积过程中气膜放电不均匀，导致难以获得均匀、致密的金属涂层；二是通过阴极等离子轰击可以去除金属表面一般的污染物，但对于结合较强的氧化物或附着物，去除效率有待提高；另外，由于电解过程中阴极气膜放电过程难以有效控制，电流密度较大，能耗较高。

发明内容

为改善上述方法存在的问题，本发明从制备工艺入手，发明了一种超声辅助阴极等离子电解沉积涂层和表面处理的方法。将超声场引入阴极等离子电解沉积系统，利用超声波的空化作用约束气膜放电，稳定等离子放电过程，并借助超声粉碎涂层沉积产生的粗大颗粒，均匀组织成分，抛光表面等优点，提升阴极等离子制备金属涂层性能；另一方面，在超声场和等离子体的协同作用下，可以提高金属表面去除氧化物和其他附着物的效率，实现金属表面的高效清理和去除氧化物。

为了达到以上效果，本发明采用的技术方案如下：

一种实现超声辅助阴极等离子电解沉积涂层和表面处理的方法，具体步骤如下：