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CN109112602B - 一种提高陶瓷涂层与金属基体结合力的激光方法 - Google Patents

一种提高陶瓷涂层与金属基体结合力的激光方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于激光表面微织构提高微弧氧化陶瓷涂层与镁合金基体结合力的加工方法，属于激光微加工技术领域，具体包括三大步骤：步骤一，将镁合金基体表面进行打磨、抛光、超声清洗并风干；步骤二，利用皮秒激光器采用设定好的激光扫描路径和加工参数对镁合金基体表面进行网格织构加工；步骤三，将具有网格微织构的基体放在配好的电解液中，采用恒流方式进行微弧氧化处理，形成覆盖有微弧氧化陶瓷涂层的工件。与现有技术相比，本发明取得的技术突破在于不仅可以处理结构复杂的工件，实现基体任意区域的大面积和重复性加工，而且加工的微纳织构可以加速电解质的沉积，促进陶瓷涂层的原位生长，提高陶瓷涂层与基体的结合力。

Description

一种提高陶瓷涂层与金属基体结合力的激光方法
技术领域
本发明属于激光微加工技术领域，具体涉及一种基于激光表面微织构提高微弧氧化陶瓷涂层与镁合金基体结合力的加工方法。
研究背景
镁合金具有密度低，比性能、减震性能、导电导热性能优良，而且易于加工的特点，成为航空器、航天器和火箭导弹制造工业中使用的最广泛地轻金属结构材料，但是由于镁合金耐磨损和耐腐蚀性能差，限制了其使用范围。近年来诸多学者针对镁合金进行了表面微弧氧化(MAO)技术研究，来进一步保护基体免受环境腐蚀和意外损坏。
微弧氧化(MAO)又称等离子体氧化(PEO)，它突破了传统阳极氧化技术的限制，可以在特定的电解液和电解参数下通过高压放电，在材料表面原位生长一层陶瓷结构的多孔氧化膜。与普通阳极氧化及化学转化等表面处理技术相比，微弧氧化技术具有明显的优势，如：膜层厚度均匀、可控性强，同时耐磨性、耐腐蚀性、耐热性和绝缘性能优异，在航天、航空、机械及电子等领域具有广泛的应用前景。
而目前镁合金微弧氧化所使用的电解液多为磷酸盐体系、硅酸盐体系、铝酸盐体系的强碱体系。在这些碱性电解液中，陶瓷层对电解液中的SiO2 -3离子吸附性最强，可与Mg2+结合吸附沉积于金属表面，形成致密的保护膜，通过抑制腐蚀电极的阴极反应，增加阳极极化，来减缓镁合金的腐蚀破坏。但是在镁合金基体氧化初期，阴/阳极表面因水电解而析出O2和H2，随着电压上升，反应变得越来越剧烈，较大放电通道内部形成的熔融物质向外喷射并冷却沉积时，体积发生较大收缩，且通道内还有少量气泡(O2和H2)来不及析出，造成膜层与镁合金基体结合区的孔洞增大，接触面积减小，致使陶瓷涂层与镁合金基体粘结强度降低，容易剥落。
为了改善微弧氧化陶瓷涂层与金属基体之间的结合力，已有学者通过优化电解液和电解参数(如：改变电解质组成，采用单电解质或双电解质，优化涂层电压/电流，改变涂层氧化持续时间等)提高涂层与基体之间的结合力。但是微弧氧化膜层制备需要大功率电源，能源消耗量较大，成本略高，在处理结构复杂的工件时存在一定的局限性，并且虽然优化电解液和电参数等可以降低MAO膜层的单位体积能耗，但这也可能导致膜层性能下降。
因此开发一种工艺简单，制备效率高，自动化程度高，绿色环保且能保持原有陶瓷涂层耐腐蚀性能，并提高镁合金基体与陶瓷涂层结合力的制造工艺方法，成为目前科研工作者亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光表面微织构提高微弧氧化陶瓷涂层与镁合金基体结合力的方法。该方法将激光表面微织构技术与微弧氧化技术相结合，可以在镁合金基体表面通过皮秒激光器制造微结构，随后进行微弧氧化在基体表面形成陶瓷涂层保护基体，不仅提高了涂层在基体表面的沉积效率，降低了涂层的剥离率，而且该方法并没有影响涂层的耐腐蚀性。
本发明一种提高陶瓷涂层与金属基体结合力的激光方法，工艺流程如图1所示，主要包括如下步骤：
步骤一，分别采用600目、1000目、1500目、2000目的SiC砂纸打磨切割好的镁合金基体，随后用1.5μm的金刚石悬浮抛光剂进行抛光，将抛光后的镁合金基体放入无水乙醇中经频率为25-30KHz的超声波清洗4-6min，风干后得到预处理的镁合金基体；
步骤二，将预处理好的镁合金基体放在皮秒激光加工平台上，设定激光扫描工艺路径和激光加工参数，对镁合金基体表面进行网格微织构加工；
步骤三，将步骤二中得到的具有网格微织构的镁合金基体放在配好的电解液中，以镁合金基体为正极，电解液槽体作为负极，采用恒流方式处理25-35min，处理过程中保持工作液温度为25-45℃，最后将得到的工件置于无水乙醇中，经频率为25-30KHz的超声波清洗6-8min后，自然晾干或者在温度为20-35℃的条件下干燥15-25min，即得到覆盖有微弧氧化陶瓷涂层的镁合金试件。
其中，步骤二所述的激光加工参数为：激光波长为193-1070nm，激光脉宽为100-600ps，激光功率为15-85W，激光脉冲频率为10kHz-1MHz，激光扫描速度为0.5mm/s-3.5m/s。
其中，步骤二所述的网格微织构的尺寸的为：网格深15±1.5μm，网格宽50±1.8μm，网格间距100±1.5μm。
其中，步骤三所述的电解液为添加有18g L-1Na2SiO3、10g L-1NaOH和蒸馏水组成的碱性溶液。
其中，步骤三所述的恒流方式具体操作过程如下：在正向电流密度范围为5A/dm2-30A/dm2，负向电流密度范围为2A/dm2-10A/dm2，频率为500Hz-2000Hz和占空比为20％-60％的条件下处理25-35min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用皮秒激光器在镁合金表面加工一系列的网格织构，一步实现微弧氧化陶瓷涂层与基体结合力的提高，与优化微弧氧化电解液和电解参数相比，本发明不仅可以处理结构复杂的工件，而且加工的微纳织构可以加速电解质的沉积，促进微弧氧化陶瓷涂层的原位生长；
(2)本发明方法加工工艺不唯一，可在不同激光加工工艺条件下实现基体的微纳织构加工，不仅能源消耗量小，成本低，而且可以在原有MAO陶瓷涂层的单位体积能耗的情况下，保持膜层的耐腐蚀性能不变；
(3)本发明工艺简单，制备效率高，自动化程度高，绿色环保，可实现基体任意区域的大面积和重复性加工，易于实现工业化应用。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明在镁合金基体表面激光加工的网格织构形貌；
图3为本发明的陶瓷涂层与基体结合位置的扫描电镜图片；
图4为未经过激光处理并采用同一参数成形的陶瓷涂层与基体结合位置的扫描电镜图片；
图5为本发明的陶瓷涂层进行剥离实验后的表面形貌；
图6为未经过激光处理并采用同一参数成形的陶瓷涂层进行剥离实验后的表面形貌；
图7为本发明的陶瓷涂层分别进行0小时、500小时和1000小时的盐雾腐蚀实验后的扫描电镜形貌；
图8为未经过激光处理并采用同一参数成形的涂层分别进行0小时、500小时和1000小时的盐雾腐蚀实验的扫描电镜形貌。
具体实施方式
为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。
本发明一种提高陶瓷涂层与金属基体结合力的激光方法，流程如图1所示，主要包括如下步骤：
步骤一，分别采用600目、1000目、1500目、2000目的SiC砂纸打磨切割好的镁合金基体，随后用1.5μm的金刚石悬浮抛光剂进行抛光，将抛光后的镁合金基体放入无水乙醇中经频率为25KHz的超声波清洗5min，风干后得到预处理的镁合金基体；
步骤二，将预处理好的镁合金基体放在皮秒激光加工平台上，设定激光扫描工艺路径和激光加工参数，对镁合金基体表面进行网格微织构加工；
步骤三，将步骤二中得到的具有网格微织构的镁合金基体放在配好的电解液中，以镁合金基体为正极，电解液槽体作为负极，采用恒流方式处理30min，处理过程中保持工作液温度为25-45℃，最后将得到的工件置于无水乙醇中，经频率为25KHz的超声波清洗6min后，自然晾干或者在温度为20-35℃的条件下干燥20min，即得到覆盖有微弧氧化陶瓷涂层的镁合金试件。
本实施例中，步骤二所述的激光加工参数为：激光波长为1060nm，激光脉宽为400ps，激光功率为60W，激光脉冲频率为20kHz，激光扫描速度为1m/s。
本实施例中，步骤二所述的网格微织构的尺寸的为：网格深15μm，网格宽50μm，网格间距100μm，其金相显微照片如图2所示。
本实施例中，步骤三所述的电解液为添加有18g L-1Na2SiO3、10g L-1NaOH和蒸馏水组成的碱性溶液。
本实施例中，步骤三所述的恒流方式具体操作过程如下：在正向电流密度范围为15A/dm2，负向电流密度范围为5A/dm2，频率为2000Hz和占空比为35％的条件下处理30min。
本实施例中，所述得到的陶瓷涂层与基体结合位置的扫描电镜图片如图3所示，而未经过激光处理并采用同一参数成形的陶瓷涂层与基体结合位置的扫描电镜图片如图4所示，对比图3与图4可知，图3中涂层光滑且坚实，而且孔洞数量明显减少。
本实施例中，所述得到的涂层与未经过激光处理并采用同一参数成形的涂层根据GB/T9286-1998标准进行剥离实验分析，结果分别如图5和图6所示，可见激光表面微织构可以明显减少涂层的剥离率。
本实施例中，所得到的涂层与未经过激光处理并采用同一参数成形的涂层进行1000小时的盐雾腐蚀实验，其扫描电镜结果分别如图7和图8所示，可见经过激光处理过的涂层表面的孔洞数量减少，开孔尺寸变小，而且随着腐蚀时间的延长，激光织构涂层表面与未经过激光处理的涂层一样都没有出现起泡、塌陷、和不规则孔洞形貌，涂层完整性保存完好，而且激光表面织构保持了原有涂层的耐腐蚀性。
本发明的上述实施例是为了说明本发明所做的举例，并不用于限定本发明的实施方式，凡是在本发明精神和原则内，对本发明方法、步骤或条件所作的任何修改、改进等，均属于本发明的范围。

Claims (2)

1.一种提高陶瓷涂层与金属基体结合力的激光方法，其特征在于：将激光表面微织构技术应用到微弧氧化中，来提高微弧氧化陶瓷涂层与镁合金基体的结合强度，具体步骤如下：
步骤一，分别采用600目、1000目、1500目、2000目的SiC砂纸打磨切割好的镁合金基体，随后用1.5μm的金刚石悬浮抛光剂进行抛光，将抛光后的镁合金基体放入无水乙醇中经频率为25KHz的超声波清洗5min，风干后得到预处理的镁合金基体；
步骤二，将预处理好的镁合金基体放在皮秒激光加工平台上，设定激光扫描工艺路径和激光加工参数：激光波长为1060nm，激光脉宽为400ps，激光功率为60W，激光脉冲频率为20kHz，激光扫描速度为1m/s，对镁合金基体表面进行网格微织构加工；
步骤三，将步骤二中得到的具有网格微织构的镁合金基体放在配好的电解液中，以镁合金基体为正极，电解液槽体作为负极，采用恒流方式处理30min，处理过程中保持工作液温度为25-45℃，最后将得到的工件置于无水乙醇中，经频率为25KHz的超声波清洗6min后，在温度为20-35℃的条件下干燥20min，即得到覆盖有微弧氧化陶瓷涂层的镁合金试件。
2.根据权利要求1所述的一种提高陶瓷涂层与金属基体结合力的激光方法，其特征在于，步骤二所述的网格微织构的尺寸为：网格深15μm，网格宽50μm，网格间距100μm。
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