一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法与流程

本发明涉及铝合金表面处理，具体涉及一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法。

背景技术：

1、由于铝合金质轻、比强度高、成型性好、易于加工等优点，在航空、电子、建筑、医疗、装备制造等领域具有广泛应用前景。然而铝合金硬度低，耐磨和耐腐蚀性能差，为提升铝合金性能，实际应用中必须对其进行表面处理。阳极氧化和微弧氧化作为有效的表面强化技术被用来改善铝合金表面性能，在其表面原位生长出硬质陶瓷涂层具有硬度高、耐腐蚀等优良性能，扩大了铝合金材料的应用范围，因此这也是制备具有耐磨损和耐腐蚀性能的有效途径。但是通过阳极氧化或微弧氧化制备的得到的陶瓷层存在韧性较差、膜基结合力不佳、易脆等缺陷，在摩擦、振动等工况下，涂层易发生开裂、脱落，失去对铝合金基体的保护作用，限制了铝合金的进一步应用，因此开发增韧型陶瓷层对提高铝合金的抗冲击和变形性具有重大意义。现有技术中有通过在陶瓷层表面进行真空渗封闭处理，来提高陶瓷层的耐磨性，也有通过强流脉冲电子束强化陶瓷层的硬度，但是增韧效果均不理想。

技术实现思路

1、基于铝合金表面陶瓷层韧性差，与基体结合力差的问题，本发明目的在于提供一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法。

2、本发明目的通过如下技术方案实现：

3、一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法，其特征在于，包括如下步骤：

4、（1）预处理：对铝合金基体表面进行预处理，去除表面油污和杂质；

5、（2）制备陶瓷层：配制含有氮化硅晶须和纳米氧化锆颗粒的电解液，通过超声辅助生成陶瓷层；

6、（3）真空渗封孔：在真空条件下，采用质酸钠进行真空渗封孔，制备封闭层；

7、（4）强化处理：采用强流脉冲电子束轰击复合陶瓷层表面。

8、进一步，所述电解液的组成包括磷酸钠15～35g/l，四硼酸钠5～25g/l，偏钒酸钠1～5g/l，氮化硅晶须20～30g/l，氟锆酸钾10～20g/l，硝酸钇1～2g/l，其余为去离子水。

9、进一步优选地，所述电解液的组成包括磷酸钠为20g/l，四硼酸钠为15g/l，偏钒酸钠为4g/l，氮化硅晶须为25g/l，氟锆酸钾为15g/l，硝酸钇为1g/l，其余为去离子水。

10、进一步，所述超声辅助生成复合陶瓷层的正电流密度为2～8a/dm2，负电流密度为1～4a/dm2，电源频率为300～800hz，占空比为10～30%，时间为30～120min，超声频率为20～60khz，超声功率为50w。

11、进一步，所述真空渗封孔是在真空条件下，将表面生成了复合陶瓷层的铝合金基体浸泡于质酸钠溶液中，质酸钠溶液质量分数为0.5-1%，浸没时间为12～25h，真空度为10-4～10-2mpa。

12、进一步，所述强化处理是采用强流脉冲轰击复合陶瓷层表面，电流密度为：5～10j/cm2，脉冲宽度：30μs，频率：1~10hz，脉冲次数：5~20次，真空度p＜4×10-2pa。

13、在制备过程中，我们通过在电解液中添加了氮化硅晶须作为主要增韧相，但是氮化硅的加入会明显降低制备的陶瓷层的致密度，导致氮化硅晶须的增韧效果并不显著，没有达到预期，且增加氮化硅晶须后，由于增韧均匀性差，会出现陶瓷层部分脱落的情况。

14、本发明通过在电解液中加入氟锆酸钾，在超声辅助作用下，氮化硅晶须和锆盐在陶瓷层中等离子体放电通道内粒子运动速度加快，粒子形成和生长速度提高，随着复杂的电化学、等离子体等化学反应，在电解过程中分解生成纳米氧化锆，吸附在氮化硅晶须表面，增强晶须和基体晶粒的界面结合强度，宏观裂纹扩展穿过晶粒时产生偏转和桥接，目标性的改善提高氮化硅晶须的引入导致的致密性下降的问题，二者协同对陶瓷层起到进一步的增韧效果。在真空条件下，采用质酸钠作为封孔剂，与复合陶瓷层之间发生复杂的交联反应，从而生成了高分子聚合物，形成封闭层，嵌入陶瓷层的孔洞中，对陶瓷层起到增韧强化效果，同时提高了陶瓷层的耐磨性。进行真空渗处理之后，再对陶瓷层进行强流脉冲电子束多次轰击陶瓷层，在重复多次的强流脉冲电子束作用下，促进了质酸钠与复合陶瓷层中的增韧相高效结合，且进一步向陶瓷表面的孔径内渗入，增加了陶瓷层的致密性，以及陶瓷层和基体之间的结合强度，从而抑制陶瓷层的脱落。

15、最具体地，一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法，其特征在于，包括如下步骤：

16、（1）预处理：将铝合金基体放入乙酸乙酯中超声波清洗10min～20min，除去油污和杂质；

17、（2）制备复合陶瓷层：以预处理后的铝合金基体为阳极，电解槽为阴极，将预处理过的铝合金基体浸入电解液中，正电流密度为2～8a/dm2，负电流密度为1～4a/dm2，电源频率为300～800hz，占空比为10～30%，时间为30～120min，超声频率为20～60khz，超声功率为50w，在基体表面制得复合陶瓷层，所述电解液组成包括磷酸钠为15～35g/l，四硼酸钠为5～25g/l，偏钒酸钠为1～5g/l，氮化硅晶须为20～30g/l，氟锆酸钾为10～20g/l，硝酸钇为1～2g/l，其余为去离子水；

18、（3）真空渗封孔：采用丙酮对铝合金基体表面去油去污，随后在蒸馏水中超声清洗，将基体置于真空浸渗装置中，抽真空后浸泡在质酸钠溶液中，浸渗封孔，结束后取出，用去离子水反复洗涤，去除残留质酸钠溶液，除水干燥，真空浸渗工作参数为：质酸钠溶液质量分数为0.5-1%，浸没时间为12～25h，真空度为10-4～10-2mpa；

19、（4）强化处理：采用强流脉冲电子束轰击铝合金基体表面复合陶瓷层，电子束轰击参数为：电流密度为：5～10j/cm2，脉冲宽度：30μs，频率：1~10hz，脉冲次数：5~20次，真空度p＜4×10-2pa。

20、本发明具有如下技术效果：

21、本发明方法解决了氮化硅晶须的引入导致陶瓷层致密性下降，从而与棘突结合力降低的技术问题，制备得到的复合陶瓷层平整、与铝合金基体结合力好，韧性优异，100μm复合陶瓷层（陶瓷层+封闭层）的断裂韧性达到4.92mpa·m1/2，较单一陶瓷层断裂韧性提高了近1倍。

技术特征：

1.一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法，其特征在于：所述电解液的组成包括磷酸钠15～35g/l，四硼酸钠5～25g/l，偏钒酸钠1～5g/l，氮化硅晶须20～30g/l，氟锆酸钾10～20g/l，硝酸钇1～2g/l，其余为去离子水。

3.如权利要求1或2所述的一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法，其特征在于：所述超声辅助生成复合陶瓷层的正电流密度为2～8a/dm2，负电流密度为1～4a/dm2，电源频率为300～800hz，占空比为10～30%，时间为30～120min，超声频率为20～60khz，超声功率为50w。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法，其特征在于：所述真空渗封孔是在真空条件下，将表面生成了复合陶瓷层的铝合金基体浸泡于质酸钠溶液中，质酸钠溶液质量分数为0.5-1%，浸没时间为12～25h，真空度为10-4～10-2mpa。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法，其特征在于：所述强化处理是采用强流脉冲轰击复合陶瓷层表面，电流密度为：5～10j/cm2，脉冲宽度：30μs，频率：1~10hz，脉冲次数：5~20次，真空度p＜4×10-2pa。

6.一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结一种铝合金表面耐磨复合陶瓷层的增韧方法，包括如下步骤：（1）预处理：对铝合金表面进行预处理，去除表面油污和杂质；（2）制备陶瓷层：配制含有氮化硅晶须和纳米氧化锆颗粒的电解液，通过超声辅助生成陶瓷层；（3）真空渗封孔：在真空条件下，采用质酸钠进行真空渗封孔，制备封闭层；（4）强化处理：采用强流脉冲电子束轰击复合陶瓷层表面。本发明方法解决了氮化硅晶须的引入导致陶瓷层致密性下降，从而与棘突结合力降低的技术问题，制备得到的复合陶瓷层平整、与铝合金基体结合力好，韧性优异，100μm复合陶瓷层的断裂韧性达到4.92MPa·m<supgt;1/2</supgt;，较单一陶瓷层断裂韧性提高了近1倍。技术研发人员：李忠盛,詹青青,黄安畏,李立,杨九州,丛大龙,陈汉宾,付扬帆,吴厦,周少兰,唐晶晶,罗茜受保护的技术使用者：中国兵器装备集团西南技术工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/8