一种在钛合金表面制备超疏水复合膜层的方法

本发明涉及金属材料表面改性领域。具体涉及一种在钛合金表面制备超疏水复合膜层的方法。

背景技术：

1、传统的高能耗和重型产品在生产及使用的过程中会对环境造成严重压力，主要由于其会消耗大量能源，导致环境污染和碳排放增加。对此，轻量化技术被广泛地运用到各个行业中，轻量化材料的应用范围也在不断地扩展。

2、钛是一种重要的轻量化材料之一，其因质轻(4.7g·cm-3)、比强度高、生物兼容、耐腐蚀等优良的特性被广泛应用到航空航天、化工及生物医疗等领域中。但钛合金的硬度较低且滑动摩擦系数较大，相比于其他金属更容易发生黏着。此外在复杂工况下，钛合金表面形成的自然氧化膜易发生脱落，不能对基体起到有效的保护作用。这些缺点使其应用范围的扩大受到了一定限制。另外，对于航空结构件来说，在高空低温环境下结冰会导致设备性能和运行效率降低，严重时会威胁到人们的生命和财产安全，因此需要改善航空器件的超疏水性能，以提升其飞行的可靠性和安全性。

3、钛合金的表面处理方法主要有激光表面处理技术、阳极氧化法、冷喷涂法等。微弧氧化技术是近几年发展起来的表面处理工艺，它是基于等离子体的产生，通过电弧放电在合金表面原位生长一层致密的陶瓷膜层的方法，可提高膜层的耐磨性及耐蚀性。然而，在传统的微弧氧化工艺过程中，试样表面由于持续激烈的火花放电和大量的气泡冒出，致使膜层中易形成微孔及微裂纹，从而导致膜层的耐蚀和耐磨效果受到限制。为了进一步提高微弧氧化陶瓷膜层的服役性能，可通过后续处理工艺对微弧氧化膜层进行改善。

4、对于超疏水膜层的制备，可采用阳极氧化法、水热反应法、刻蚀法等方法，在材料表面制备微纳米结构，再加以低能物质进行修饰。然而，尽管低能物质修饰的表面具有疏水或超疏水性，但其表面的低能物质力学性能、结合性能和耐久性较差，在外加载荷或者高温环境等实际工况条件下，低能物质膜层容易遭到破坏，从而使材料失去超疏水性能。

5、目前国内外对钛合金表面微弧氧化法与电化学沉积法相结合制备超疏水复合膜层的研究鲜有报道。本发明对钛合金进行微弧氧化处理后再进行电化学沉积，使具有一定耐磨耐蚀性的钛合金微弧氧化膜层表面具备超疏水性，提升钛合金自清洁、防覆冰、耐腐蚀等性能。

技术实现思路

1、本发明旨在开发一种在钛合金表面制备超疏水复合膜层的方法，使钛合金微弧氧化膜层表面具备超疏水性，提升钛合金自清洁、防覆冰、耐腐蚀等性能。

2、为实现上述目的，本发明的具体工艺流程如下：

3、(1)钛合金表面预处理：将钛合金基板裁剪成合适尺寸，再用砂纸对其表面进行机械打磨，采用但不仅限于无水乙醇进行超声清洗，以去除表面油污；

4、(2)微弧氧化处理：配制含5-30ml/l磷酸的水溶液，充分搅拌使其混合均匀，将步骤(1)预处理的钛合金试样作为阳极，采用但不仅限于不锈钢作为阴极；微弧氧化工艺采用但不仅限于恒压模式，设置电压为200-500v、时间为5-30min，对样品进行微弧氧化处理，在钛合金表面得到多孔的二氧化钛微弧氧化陶瓷膜层；

5、(3)电沉积处理：配制含0.02-0.5mol/l六水合硝酸铈(cen3o9·6h2o)、0.1-1mol/l十六烷酸(c16h32o2)、无水乙醇及去离子水的混合溶液，将步骤(2)中得到的表面为微弧氧化膜层的钛合金作为阴极，采用但不仅限于石墨片作为阳极，溶液温度为20-80℃，在20-60v电压下进行电化学沉积0.5-2h，得到表面呈微纳米级粗糙结构的二氧化钛/十六烷酸铈超疏水复合膜层，去离子水在该复合膜层表面的接触角为154°～158°，滚动角为5～8°。

6、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

7、(1)本发明采用的微弧氧化及电化学沉积的复合方法，反应时间短、效率高，易于推广应用。

8、(2)本发明获得的超疏水膜层不需要低能修饰，膜层具有更好的耐久性。

9、(3)传统微弧氧化膜层孔隙率高，吸附性强，易污染。采用本发明的方法，制备的二氧化钛/十六烷酸铈超疏水复合膜层，对微弧氧化膜层起到封孔的作用，降低其孔隙率，可有效改善传统微弧氧化膜层应用的局限性。

10、(4)本发明在钛合金微弧氧化膜层表面制备超疏水涂层，对试样的形状和尺寸无特殊要求，适用范围广。

技术特征：

1.一种在钛合金表面制备超疏水复合膜层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

技术总结本发明涉及一种在钛合金表面制备超疏水复合膜层的方法，属于金属材料表面改性领域。首先，对钛合金表面进行预处理并清洗；然后配制电解液，以钛合金试样作为阳极，采用但不仅限于不锈钢作为阴极，通过微弧氧化工艺在钛合金表面制备多孔的二氧化钛氧化膜层；随后通过电化学沉积法，在钛合金微弧氧化膜层上获得具有微纳米级粗糙结构的超疏水膜层。与传统的制备超疏水膜层的方法相比，本方法不需要进行低能修饰，便能获得水接触角为154°～158°的超疏水膜层。该方法工艺简单，成本低廉，对试样形状和尺寸无特殊要求，易于推广。技术研发人员：张伟华,杨悦,张坤龙,孙香玉,于思荣受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）技术研发日：技术公布日：2024/6/5