钛合金表面黑色陶瓷膜的制备方法技术

本发明专利技术属于钛合金表面处理技术领域，具体提供了一种钛合金表面黑色化工艺技术方法，采用微弧氧化技术进行黑色化处理，其中电解液以磷酸盐、硅酸盐等体系作为主盐，并添加铁盐、铜盐等、这些添加盐对环境污染小，制备过程在双极性脉冲电源上实现，该工艺过程操作简单高效，电解液环境友好，并且膜层摩擦系数小，颜色均匀，附着力强、具备高耐磨性、耐腐蚀性等优良性能。该技术方法获得黑色钛合金可进一步拓展钛合金的应用范畴。钛合金的应用范畴。钛合金的应用范畴。

【技术实现步骤摘要】
钛合金表面黑色陶瓷膜的制备方法


[0001]本专利技术属于钛合金材料表面着色领域，尤其涉及一种钛合金表面黑色陶瓷膜的制备方法。

技术介绍

[0002]钛及其合金凭借其密度小，比强度、比刚度高，高温力学性能、抗疲劳性能、蠕变性能好，具有良好的综合性能等一系列优点，使得其在航空材料的使用上占有一席之地，同时具有广阔的发展空间和应用前景。然而，钛合金具有硬度较低、耐磨性较差等缺点无法克服会限制其广泛应用。
[0003]目前阳极氧化法在钛合金表面着色应用得更为普遍，然而阳极氧化等一系列方法制备出的膜层具有颜色单一、膜层外观质量不符合标准、制备过程中对环境污染较大等缺点。
[0004]微弧氧化技术是一种重要的新型材料表面处理技术，可以大幅度改善金属表面的综合性能。与其他表面处理技术相比，微弧氧化技术操作简便,生产效率高，微弧氧化陶瓷膜与基体结合良好，陶瓷膜在硬度、耐磨性、耐蚀性方面有显著优势，且性能可控。目前的微弧氧化着色盐大多含有毒物质和重金属元素，如应用较广的偏钒酸铵，在120℃以上会分解出剧毒物质且废液难以处理容易污染土壤。
[0005]采用阳极氧化法着色时，主盐为硅酸盐、磷酸盐、葡萄糖酸钠等，向电解液中加入MnSO4·
5H2O、K2Cr2O7等着色剂，可得到绿、黑等颜色的陶瓷膜。目前在钛合金上采用微弧氧化着色时可制备出黄、绿、蓝、灰等颜色陶瓷膜，而采用微弧氧化技术在钛合金表面制备黑色陶瓷膜尤其是采用铁盐着色盐制备方法的研究还鲜有人报道。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对目前钛合金表面着色盐种类单一，钛合金耐磨性差、耐腐蚀性较差等问题提供了一种钛合金表面黑色陶瓷膜的制备方法，采用铁盐配合铜盐作为着色盐，通过微弧氧化在钛合金表面制备黑色陶瓷膜，具有电解液抗污染能力强，再生重复使用率高，对人体和环境伤害小的特点，本专利技术的黑色氧化陶瓷膜具有高硬度、高耐磨性和与基体结合强度高等一系列优点，且该电解液原料组成简单可重复使用。
[0007]为了实现本专利技术目的，所采用的技术方案为：
[0008]一种钛合金表面黑色陶瓷膜的制备方法，具体步骤如下：
[0009]样品前处理步骤如下：
[0010](1)钛合金前处理：
[0011]将钛合金进行打磨、清洗并干燥备用；具体打磨方法优选为将钛合金经320
#
、600
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和1000
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的SiC砂纸逐级打磨；具体的清洗干燥方法优选为：将打磨好的钛合金在无水乙醇和超声条件下清洗除油，然后采用去离子水冲洗，最后吹干备用。(2)氧化电解液的配置：
[0012]先配制主盐电解液，再配制着色盐电解液，最后将着色盐电解液与主盐混合制得
氧化电解液，具体如下：
[0013]配制主盐电解液：将磷酸盐、硅酸盐、辅助成膜剂、有机添加剂依次溶于去离子水中制得主盐电解液；
[0014]配制着色盐电解液：将EDTA络合剂、碱类pH调节剂、铁盐、铜盐按顺序溶于去离子水中，另外采用碱类pH调节剂将溶液的pH值调至10～12，获得着色盐电解液；
[0015]所述氧化电解液中各成分含量为10～20g/L磷酸盐、3～10g/L硅酸盐、5～10g/L辅助成膜剂、5～20g/L有机添加剂、3～15g/L络合剂、5～15g/L碱类pH调节剂、3～15g/L铁盐、3～5g/L铜盐；
[0016](3)微弧氧化处理：将步骤(1)中前处理过的钛合金样品置于在步骤(2)中配制好的所述氧化电解液中，其中以所述钛合金样品作为微弧氧化过程中的阳极，不锈钢板作为微弧氧化过程中的阴极，微弧氧化处理过程在双极性脉冲恒流电源装置上进行；微弧氧化过程参数控制为：氧化电流：2～15A/dm2；氧化电压：300～600V；氧化时间：5～30min；频率：300～1200Hz；占空比为0～45％；微弧氧化结束后经干燥处理即可制得形成在钛合金表面的黑色陶瓷膜。
[0017]作为优选，所述磷酸盐为多聚磷酸钠、磷酸二氢铵中的一种或多种；
[0018]所述硅酸盐为硅酸钠；
[0019]所述的辅助成膜剂为氟化钠、氟化铵中的一种或多种；
[0020]所述有机添加剂为三乙醇胺、柠檬酸钠的一种或多种。作为更进一步优选，所述磷酸盐为多聚磷酸钠，所述硅酸盐为硅酸钠，所述的辅助成膜剂为氟化钠，所述有机添加剂为柠檬酸钠，多聚磷酸钠、硅酸钠、氟化钠、柠檬酸钠质量比为2～4：0.6～1：1：1～2；
[0021]作为优选，步骤(2)中所述铜盐为硫酸铜、焦磷酸铜中的一种或多种；
[0022]所述铁盐为硫酸铁、高铁酸钠、草酸高铁铵中的一种或多种；
[0023]所述的碱类pH调节剂为氨水、氢氧化钠中的一种或多种。
[0024]作为优选，步骤(2)中着色盐电解液的具体配制步骤为：
[0025]首先在去离子水中添加络合剂，在水浴锅中60～80℃恒温条件下溶解处理10～20min，制得EDTA悬浮液；
[0026]其次在EDTA悬浮液中添加碱类pH调节剂，控制EDTA、碱类pH调节剂质量比为1～2：1(更进一步优选，碱类pH调节剂为氢氧化钠)，在水浴锅中60～80℃恒温条件下溶解处理20～30min，该溶解温度和溶解时间下得到的EDTA溶液稳定性最好；
[0027]最后添加铜盐和铁盐，在水浴锅中40～80℃恒温条件下溶解处理5～20min，另外采用碱类pH调节剂调节溶液的pH值(更进一步优选，碱类pH调节剂为氨水，铁盐为硫酸铁，铜盐为硫酸铜，硫酸铁、硫酸铜、氨水质量比为：0.6～3：1：1～1.5)，得到着色盐电解液。
[0028]步骤(1)中加入柠檬酸钠的目的是在反应时包裹在膜层上，可防止金属盐的加入烧损膜层，同时抑制火花放电，改善电解液稳定性。
[0029]步骤(2)着色盐的配制需要在水浴锅中40～80℃恒温条件下溶解处理，保证EDTA与铁盐、铜盐充分溶解，有利于提升钛合金膜层外观颜色均匀性。
[0030]步骤(2)中EDTA与铁盐、铜盐发生络合反应，而不与强碱反应生成沉淀，提升了溶液中着色粒子的均匀性，更易获得外观光滑、没有颗粒附着的钛合金氧化膜层。
[0031]步骤(2)中铁盐和铜盐作为着色盐共同参与到膜层反应中去，有利于提高膜层黑
度。
[0032]步骤(2)中加入氢氧化钠提供碱性环境,参与膜层反应，提高膜层的光滑性、均匀性、致密性。
[0033]步骤(2)中着色盐电解液与主盐电解液配比合理，电解液热稳定性、化学稳定性好，环保高效，可循环使用。
[0034]进一步的，微弧氧化过程中，在电流为2～10A/dm2时，获得膜层中Fe含量在20％以上，铜含量<5％。氧化电流为10～15A/dm2时，涂层中Fe含量在15％～20％，铜含量<5％。氧化电流大于15A/dm2，膜层中铜含量不变，Fe含量低于15％，膜层黑度减小。
[0035]进一步的，步骤(3)中微弧氧化处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金表面黑色陶瓷膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)钛合金前处理：钛合金先经320
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、600
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和1000
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的SiC砂纸逐级打磨，再在无水乙醇和超声条件下清洗除油，然后采用去离子水冲洗，最后吹干备用；(2)配置氧化电解液：首先将磷酸盐、硅酸盐、辅助成膜剂、有机添加剂依次溶于去离子水中制得主盐电解液；然后将EDTA络合剂、碱类pH调节剂、铁盐、铜盐按顺序溶于去离子水中，另外采用碱类pH调节剂将溶液的pH值调至10～12，获得着色盐电解液；最后将配置好的着色盐电解液加入所述主盐电解液中进行搅拌，从而制得所述氧化电解液；所述氧化电解液中各成分含量为10～20g/L磷酸盐、3～10g/L硅酸盐、5～10g/L辅助成膜剂、5～20g/L有机添加剂、3～15g/L络合剂、5～15g/L碱类pH调节剂、3～15g/L铁盐、3～5g/L铜盐；(3)微弧氧化处理：将步骤(1)中前处理过的钛合金样品置于在步骤(2)中配制好的所述氧化电解液中，其中以所述钛合金样品作为微弧氧化过程中的阳极，不锈钢板作为微弧氧化过程中的阴极，微弧氧化处理过程在双极性脉冲恒流电源装置上进行；微弧氧化过程参数控制为：氧化电流：2～15A/dm2；氧化电压：300～600V；氧化时间：5～30min；频率：300～1200Hz；占空比为0～45％；微弧氧化结束后经干燥处理即可制得形成在钛合金表面的黑色陶瓷膜。2.根据权利要求1所述的钛合金表面黑色陶瓷膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述磷酸盐为多聚磷酸钠、磷酸二氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘太军，王搏洋，何瑞钰，冷岩，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：