一种镁合金表面改性工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于航空航天系统发动机机匣等零部件所用的镁合金的表面改性技术，具体为：对镁合金依次进行脱脂、酸洗、表调、等离子体表面陶瓷化、二次有机喷涂，最终得到的等离子体氧化陶瓷层/有机涂层复合处理膜层发射率达到0.88，腐蚀电流密度下降6个数量级，磨损失重率降低1个数量级且摩擦系数减小一倍。本发明专利技术通过采用等离子体氧化技术对基体进行打底处理，形成结合力好、耐蚀耐磨的陶瓷层，对有机涂层起到支撑作用；并陶瓷层表面的多孔结构，增大了整个工件的比表面积，改善了有机涂层的结合力。有机喷涂形成的黑色涂层进一步提高了工件的耐蚀性，减小了摩擦系数，同时达到了高发射率的使用需求。

A Surface Modification Technology of Magnesium Alloy

【技术实现步骤摘要】
一种镁合金表面改性工艺
本专利技术针对航空航天系统发动机机匣等零部件所用的镁合金，涉及镁合金表面改性工艺，达到高发射率高耐蚀功能一体化，属于镁合金表面强化领域。
技术介绍
轻量化是航空航天构件材料的重要发展方向之一。镁合金是目前实际应用的最轻的金属结构材料，纯镁的密度为1.74g/cm3，约为铝合金的2/3、钛合金的2/5、钢铁的1/4，与多数工程塑料相当。镁合金克服了普通镁合金高温强度低的应用瓶颈，锻件室温抗拉强度≥400MPa、200℃抗拉强度≥320MPa，力学性能达到航空航天系统航空发动机机匣等零部件的要求。但是镁合金耐蚀性差，且航空发动机机匣同时需要具备优异的热平衡性能，即能够以红外辐射形式将机匣热量快速高效的辐射出去，降低基体温度，解决过热问题。尤其是在高真空环境，系统热量只能以辐射能形式排出，故只能依赖高发射率性能。因此，在解决发动机机匣镁合金耐蚀性差的同时达到高发射率的要求，是解决镁合金在航空航天系统工程应用的迫切需求。目前改善镁合金耐蚀性的表面技术常见的包括有机喷涂、化学镀、化学转化膜技术以及等离子体氧化等。现有有机喷涂一般采用ABS树脂或含镍盐的有机涂料，形成的涂层耐蚀性极好，盐雾可达1000h以上，但是与镁合金基体结合力差，容易剥落。对于镁合金，其电位及负，很容易发生化学腐蚀及电化学腐蚀，目前现有的化学镀技术很难达到盐雾96h，并且相对于其他技术，成本较高。而镁合金化学转化膜膜层厚度在0.5-2μm，不具备高的耐蚀性能，一般做化学镀及喷涂等技术的前处理。与化学镀相同的，等离子体氧化技术也可以做为化学镀及喷涂等的前处理，不同的是等离子体氧化形成的膜层结合力极好，有良好的耐蚀耐磨性能，但是膜层颜色单一，针对高发射率的性能需求不能满足，此外目前常规的镁合金等离子体氧化的电解液及电参数工艺并未考虑到电解液的有效期及生长机制固有的缺陷。首先，硅酸盐体系电解液成膜速率高且成本低，因此最为常用，但存在溶液有效期短应用瓶颈；其次，等离子氧化膜层生长是“成膜、击穿、熔融、氧化、冷凝”循环往复的过程，基于生长机制必不可少的存在多种缺陷，包括孔隙、微裂纹等，因此如何解决电解液有效期短、减小膜层缺陷是本专利技术的要解决的技术问题之一。目前现有技术通过电解液掺杂钨酸钠、稀土元素、EDTA、EDTA-2Na、三乙醇胺等提高膜层硬度以及致密性，但是掺杂会增加膜层的电偶腐蚀倾向。现有的电解液与配套的电压工艺不能解决此问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术目的是针对镁合金实际工程使用过程中发射率低、易腐蚀的技术瓶颈，对航空航天系统发动机机匣等零部件所用的镁合金进行表面改性，在等离子氧化处理形成的陶瓷层表面进行黑色有机喷涂处理方式，达到高发射率、高耐蚀，满足发动机机匣在实际工程使用需求。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种镁合金表面改性工艺，其特征在于，包含以下步骤：S1、对镁合金表面进行前处理；S2、对上述S1得到的镁合金进行等离子氧化处理；S3、对上述S2得到的镁合金用黑色粉末涂料进行有机喷涂，形成均匀的黑色有机涂层。优选的，S1中所述前处理包含脱脂、酸洗、表调处理。优选的，所述脱脂工艺参数为：氢氧化钠50-100g/L，磷酸钠2-6g/L，碳酸钠5-10g/L，十二烷基硫酸钠2-4mg/L，60-80℃，4-6min。优选的，所述酸洗工艺参数为：磷酸三钠4-8g/L，硫酸铵2-4g/L，硝酸钠3-8g/L，酒石酸8-15g/L，草酸8-15g/L，40-60℃，1-2min。优选的，所述表调工艺参数为：三聚磷酸钠5-10g/L，氢氧化钠6-20g/L，三乙醇胺5-10ml/L，曲拉通5-10ml/L，60-80℃，5-10min。优选的，所述S2中等离子体氧化的电解液中包含硅酸钠10-12g/L，氢氧化钾7-9g/L，三乙醇胺2-8mL/L，EDTA-二钠1-6g/L，氟化钾10-15g/L，所述电解液的pH=11-13。优选的，所述S2中等离子体氧化的电解液中包含硅酸钠10-12g/L，氢氧化钾7-9g/L，三乙醇胺5-6mL/L，EDTA-二钠2-3g/L，氟化钾10-15g/L，所述电解液的pH=11-13。优选的，电解液中还包含微量氧化锆纳米颗粒0.02-0.5g/L。优选的，所述S2中等离子体氧化正脉冲电压为280-320V，正脉频率为500-1000Hz，占空比为6-12%；负脉冲电压为30-200V，负脉频率为500-1000Hz，占空比为6-12%，级数比1:1。优选的，S2中等离子体氧化负脉冲电压为30-90V。等离子体氧化电解液及电参数与膜层厚度及质量直接相关，膜层厚度、质量与有机喷涂的效果直接相关。故本专利技术对等离子体氧化电解液、电参数及厚度进行了优化。膜层厚度与致密性取决于电解液组成浓度及电参数的选择。本专利技术采用硅酸盐体系，通过调整EDTA-二钠，三乙醇胺在体系中的比例对常规电解液进行优化，其中EDTA-二钠作为络合剂对电解液具有螯合作用，提升电解液的稳定性及均匀性，需要说明的是未添加EDTA-二钠的电解液有效期在10天左右，会出现絮状胶体类沉淀，膜层表面出现花斑；而本专利技术的电解液有效期达30天。三乙醇胺的添加，对等离子体氧化过程中的电火花具有有效的抑制作用，使火花放电更温和，提高了膜层表面光滑度。与电解液相配套的电参数，本发采用双极性脉冲模式，添加负向脉冲，通过负向电压、负向频率、负向占空比来调控负向作用。负向作用对膜层具有重熔、修复的作用，但负向电压过大，膜层不会生长，因此本专利技术对负向电压、频率、占空比进行了优化，通过优化电解液组分及负向电压提高等离子氧化打底层的性能，最终与黑色有机涂层形成高发射率-高耐蚀-耐磨减摩多功能一体的表面处理工艺。优选的，S2中等离子体氧化处理得到的陶瓷层厚度为5-10μm。控制厚度对于下步有机喷涂后膜层整体质量至关重要，一是适当的等离子体氧化厚度对有机涂层起到支撑作用，太薄影响到膜层硬度，且达不到耐蚀要求，过厚影响到有机涂层的结合力及致密性。原因在于等离子体氧化膜层的生长是“击穿、熔融、氧化、喷射、冷凝”循环往复的过程，膜层表面微孔孔径大小和膜层厚度呈正相关，而表面微孔孔径大小与下一步骤的有机喷涂质量密切相关。因此，通过实验对等离子体氧化陶瓷层厚度进行优化。优选的，S3中所述黑色有机涂层采用静电粉末喷涂进行涂装。优选的，S3中所述S3中所述黑色粉末涂料为黑色环氧粉末涂料，所述黑色有机涂层中含有1%-4%（m/m）的氧化锆和0.05%-0.1%（m/m）氧化钇。优选的，S3中所述有机喷涂包含二次喷涂，三次烘烤的步骤，包括以下步骤：S1、第一次烘烤，110-150℃，30-60min；S2、第一次喷涂，电压为50-70KV，喷枪与工件距离为150-300mm，喷粉量为70-150g/min，时间1-5min；S3、第二次烘烤，110-150℃，30-60min；S4、第二次喷涂，电压为50-70KV，喷枪与工件距离为150-300mm，喷粉量为70-150g/min，1-5min；S5、第三次烘烤，200-250℃，30-60min。优选的，S3中所述黑色有机涂层厚度为40-70μm。物体的发射率与物体表面材料、表面特性/表面质量（光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镁合金表面改性工艺，其特征在于，包含以下步骤：S1、对镁合金表面进行前处理；S2、对上述S1得到的镁合金进行等离子氧化处理；S3、对上述S2得到的镁合金用黑色粉末涂料进行有机喷涂，形成均匀的黑色有机涂层。

【技术特征摘要】
1.一种镁合金表面改性工艺，其特征在于，包含以下步骤：S1、对镁合金表面进行前处理；S2、对上述S1得到的镁合金进行等离子氧化处理；S3、对上述S2得到的镁合金用黑色粉末涂料进行有机喷涂，形成均匀的黑色有机涂层。2.根据权利要求1所述的镁合金表面改性工艺，其特征在于，S2中等离子体氧化处理得到的陶瓷层厚度为5-10μm。3.根据权利要求1所述的镁合金表面改性工艺，其特征在于，S2中等离子体氧化的电解液中包含硅酸钠10-12g/L，氢氧化钾7-9g/L，三乙醇胺2-8mL/L，EDTA-二钠1-6g/L，氟化钾10-15g/L，所述电解液的pH=11-13。4.根据权利要求3所述的镁合金表面改性工艺，其特征在于，S2中等离子体氧化的电解液中包含硅酸钠10-12g/L，氢氧化钾7-9g/L，三乙醇胺5-6mL/L，EDTA-二钠2-3g/L，氟化钾10-15g/L，所述电解液的pH=11-13。5.根据权利要求1或3所述的镁合金表面改性工艺，其特征在于，S2中等离子体氧化正脉冲电压为280-320V，正脉频率为500-1000Hz，占空比为6-12%；负脉冲电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永青，熊雯瑛，张振宇，肖宏超，刘海平，
申请(专利权)人：长沙新材料产业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43