一种金属基体表面氧化铝涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属基体表面氧化铝涂层及其制备方法，氧化铝涂层主要由γ相氧化铝构成，厚度为1微米到10微米之间，所述基体为铬氏硬度＜40的碳钢、结构钢等合金材料。将水、铝的有机醇化合物和无机酸按照比例加热搅拌获得氧化铝溶胶，之后将溶胶进行水热处理，再将水热处理后的溶胶在金属基体表面进行多次涂覆干燥，最后在500℃以下的高温环境中进行煅烧处理，获得具有一定厚度的、致密的γ相氧化铝涂层。本发明专利技术提供的氧化铝涂层不仅抗腐蚀、防渗透性能良好，而且具有一定的厚度和良好的致密性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属表面处理技术，具体涉及一种金属基体表面氧化铝涂层及其制备方法，它主要针对合金及其它金属制品的表面处理，尤其是涉及高温合金、设备和各种钢质管道的防腐蚀、防渗透及隔热涂层。
技术介绍
溶胶-凝胶法是一种对金属进行表面处理的涂层制备技术，采用溶胶凝胶技术能够在玻璃、塑料、金属等基体之上制备具有特定功能的陶瓷或有机涂层（Chandradass J,Balasubramanian M,Effect of magnesium oxide on sol-gel spun alumina and alumina-zirconia fibres[J].Journal of the European Ceramic Society,2006,26(13):2611-2617）。在上个世纪六七十年代，随着能源、制造及电子通信领域对材料性能的要求越来越高，溶胶-凝胶（Sol-Gel）法制备涂层的技术开始受到广泛的重视。溶胶是由直径仅有几十纳米的胶体微粒与溶液共同形成的分散体系，具有较高的表面能，吸附性能较强，因而容易在基体上沉积。同时由于溶胶粒子表面吸附了相同属性的电荷，使其由于互相排斥而形成长期稳定的分散体系。Sol-Gel法有以下几种方式：（1）有机醇盐水解法；（2）有机反应聚合法；（3）无机分散法等。下图是这几种获取凝胶方法的过程。采用Sol-Gel制备涂层的方法类似，将基体在溶胶中浸润或者将溶胶旋转涂覆在基体表面，之后再经过干燥和一定的热处理程序进而获得所需的陶瓷涂层。采用高温煅烧的方法制备氧化铝涂层，需要在800℃以上才能形成具有抗腐蚀性能的γ相氧化铝层，在1200℃以上煅烧才能获得最为稳定的α相氧化铝，而作为涂层基体的金属材料，大多在600℃以上即发生相变，性能显著下降。同时，传统溶胶法制备的涂层厚度较低，一般均为500nm以下，对于基体的保护作用不明显，因此，研究相对低温下高厚度氧化铝涂层制备的方法，对于提高涂层的效能和保证金属基体的机械力学等性能具有重要的理论及工程意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对传统溶胶法制备的氧化铝涂层厚度较低、热处理温度较高的缺陷，提供一种水热辅助溶胶处理的氧化铝涂层与制备方法。本专利技术还提供了该γ相氧化铝涂层的制备方法。本专利技术提供的金属基体表面γ相氧化铝涂层，该金属基体表面涂层由γ相氧化铝构成，厚度1微米到10微米之间，晶粒尺寸200纳米到1000纳米之间，所述基体为铬氏硬度＜40的金属材料。所述的金属材料为铁、碳钢、镍基合金等金属。上述金属基体表面氧化铝涂层的制备方法为：（1）将铝的有机醇化合物、水和无机酸按照(0.5～1.5):(100～80):(0.05～0.15)的摩尔比例均匀混合，在70℃和95℃之间搅拌反应，其中无机酸是在搅拌过程中加入，最后获得透明的溶胶；（2）将以上制备的溶胶置于水热反应釜中，填充度为30%到70%之间，之后密封反应釜，加热内部的溶胶并保温6到18小时；（3）将保温处理后的溶胶取出，采用旋转涂覆的方式，即将金属基体在旋涂机上固定旋转，在将以上溶胶不断滴至基体表面使之均匀覆盖表面，获得具有涂层的基体；（4）将步骤（3）获得的具有涂层的基体干燥至表面液膜固化为止，再重复（3）（4）过程，获得不同厚度的氧化铝溶胶涂层；（5）将通过以上过程获得的样品放入高温电炉，升温速率加热到400℃到500℃之间，保温1小时到6小时后，获得具有一定厚度的氧化铝涂层。所述的无机酸为硝酸、盐酸、硫酸等强酸的稀释溶液。本专利技术采用水热处理过的氧化铝溶胶，利用其水热处理过之后润湿性能提高、晶型转变温度下降的特点，在基体表面多次涂覆，形成厚度较高的氧化铝溶胶层，再通过较低的煅烧温度完成晶型转变，能够在500℃下形成具有一定厚度、致密的、抗腐蚀性能优良的γ相氧化铝涂层，涂层厚度高，可广泛应用在抗氧化、防腐蚀、隔热以及防气体渗透等
附图说明图1、2、3、4、5是按照本专利技术专利制备的涂层结构及涂层表征，图1是涂层结构示意图；图2是热处理之前涂层截面SEM图片；图3是热处理之后涂层截面扫描电子显微镜（SEM）图片；图4是热处理之后涂层的表面SEM图片；图5是涂层表面物相的X射线衍射分析（XRD）。图6、7、8是按照已有传统方法制备的涂层及显微特征，图6是涂层的截面SEM图片，图7是热处理之后涂层的截面SEM图片，图8是热处理之后涂层表面物相的XRD分析。具体实施方式如图1所示，本专利技术提供的金属基体表面γ相氧化铝涂层由主要由与基体表面结合氧化铝层构成，涂层总厚度为1微米到10微米。基体可以是由合金、结构钢等金属材料构成的各种设备，在涂层制备之前必须经过去油处理。实例1：（1）将蒸馏水、异丁醇铝和盐酸按照90:1:0.15的摩尔比例混合均匀，在85℃搅拌反应4小时，其中盐酸是在搅拌过程中加入，最后获得透明的溶胶；（2）将以上制备的溶胶置于水热反应釜中，填充度为70%，之后密封反应釜，加热内部的溶胶至210℃后保温12小时；（3）将40#碳钢（铬氏硬度=35）表面清洗去油后进行抛光处理；（4）将保温处理后的溶胶取出，采用旋转涂覆的方式，即将碳钢在旋涂机上固定旋转，在将以上溶胶不断滴至基体表面使之均匀覆盖表面，旋涂机转速为50转/分钟；（5）旋转涂覆30秒后停止溶胶滴加与旋转，将基体在空气中干燥至表面液膜固化为止，再重复（3）（4）过程6到10次，获得氧化铝溶胶涂层；（6）将通过以上过程获得的样品放入高温电炉，以小于5℃/分钟的升温速率加热到460℃，保温3小时后取出即获得结晶良好的γ相氧化铝涂层。实例2：(1)将去离子水与异丙醇铝（分析纯）按照摩尔比100比1的比例加入三口瓶中，在水浴中磁力搅拌加热至85℃，之后加入摩尔比例为0.1的硝酸，继续保温搅拌6小时，获得透明的氧化铝溶胶。(2)将试验用马氏体钢(铬氏硬度=30)基体表面依次采用600目、1500目、3000目的砂纸在抛光机上进行打磨抛光，之后将基体置入丙酮中进行超声波清洗，去掉表面的油污后置于真空干燥箱内干燥保存。(3)将获得的氧化铝溶胶导入水热反应釜中，填充度为50%，将反应釜放入200℃的烘箱中保温12小时后取出。(4)将基体固定在旋涂机上，转速120转/分钟，采用酸式滴定管将上述溶胶以10滴/分钟的速度滴至基体表面，30秒后停止转动与滴加，将基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属基体表面氧化铝涂层，其特征在于：该金属基体表面氧化铝涂层主要由γ相氧化铝构成，厚度为1微米到10微米之间，所述基体为铬氏硬度＜40的碳钢、结构钢、镍基合金金属材料。

【技术特征摘要】
1.一种金属基体表面氧化铝涂层，其特征在于：该金属基体表
面氧化铝涂层主要由γ相氧化铝构成，厚度为1微米到10微米之间，
所述基体为铬氏硬度＜40的碳钢、结构钢、镍基合金金属材料。
2.一种如权利要求1所述的金属基体表面氧化铝涂层的制备方
法，其特征在于该方法包括下述步骤：
（1）将水、铝的有机醇化合物和无机酸按照(100～80)：(0.5～1.5)：
(0.05～0.15)的摩尔比例混合，在70℃和95℃之间搅拌反应4小时到
48小时，其中无机酸是在搅拌过程中加入，最后获得透明的溶胶；
（2）将以上制备的溶胶置于水热反应釜中，填充...

【专利技术属性】
技术研发人员：高继峰，银永明，刘德绪，龚金海，万龙，
申请(专利权)人：中国石油化工集团公司，中石化中原石油工程设计有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11