CN113089047A - 一种铝合金构件及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金构件及其制备方法、应用，制备方法包括以下步骤：S1、采用微弧氧化技术在铝合金表面生成氧化铝陶瓷膜；S2、在氧化铝陶瓷膜表面涂覆亲水层。本发明通过采用微弧氧化技术在铝合金表面生成氧化铝陶瓷膜，从而增强其表面机械强度，所得到的增强表面是粗糙且含孔道的结构，这种结构有利于在表面涂覆有机或无机涂层，表面亲水层在表面起到了填充微弧氧化产生的孔道的作用，这样即保护了孔道位置防止孔道中首先被环境腐蚀，同时也增强了膜层跟表面的结合力。
Description
技术领域
本发明涉及铝及铝合金的表面处理领域，具体涉及一种铝合金构件及其制备方法、应用。
背景技术
铝及铝合金具有质量轻，冲击吸收性强，无磁性，易加工成型与可焊性等优点。它可以很好的加工成各种样式和尺寸的棒材、板材、和型材等，在航天、航空、汽车、军工等领域中的到广泛的应用，是仅次于钢材的第二工程材料。
但是铝及其合金也存在很明显的缺点，比如硬度低，耐磨性差，在某些介质中不耐腐蚀等，这些都限制了它的使用范围。比如，用于空调器中的铝合金翅片在干湿交替的环境会产生“白粉”现象，也即表面的氧化铝薄层发生龟裂脱落等腐蚀现象；由于表面亲水性较差，在排列比较密的空调翅片上会产生“水桥”现象；长期使用会产生“水锈”、“异味”；海用铝合金结构产品，长期处于海上、海岸边的高湿、高热、高盐雾环境以及海水的冲刷，海水会逐渐通过微孔渗透至材料铝合金表面，产生水桥、水锈等腐蚀问题；；通常的改善办法是对铝或者铝合金表面进行酸或者碱腐蚀，获得一种粗糙的表面以达到超亲水的效果，使得表面的水接触角很小。最终达到减少“水桥”现象的目的。这种技术的缺点是，铝表面的机械强度不高，长期使用寿命不高，无法避免“水锈”、“异味”的产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝合金构件的制备方法，提高铝合金构件的硬度、亲水性和耐腐蚀性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种铝合金构件的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用微弧氧化技术在铝合金表面生成氧化铝陶瓷膜；
S2、在氧化铝陶瓷膜表面涂覆亲水层。
本发明所述微弧氧化技术(MAO)，又称火花放电阳极氧化、阳极火花沉积(ASD)或微等离子体氧化(MPO)，是近几十年发展起来的在有色金属表面原位生长氧化物陶瓷膜的新技术。此技术是将铝、镁、钛等阀金属作为阳极置于电解液中，并将电压的工作区域由普通的阳极氧化的法拉第区域引入到高压放电区域,在阀金属表面产生等离子体火花放电并伴随复杂的化学、电化学、物理化学等众多反应的发生,利用在微区产生的瞬时高温高压，形成与基体间冶金结合具有金属特性和陶瓷特性的致密氧化物薄膜。
本发明通过采用微弧氧化技术在铝合金表面生成氧化铝陶瓷膜，从而增强其表面机械强度，所得到的增强表面是粗糙且含孔道的结构，这种结构有利于在表面涂覆有机或无机涂层，表面亲水层在表面起到了填充微弧氧化产生的孔道的作用，这样即保护了孔道位置防止孔道中首先被环境腐蚀，同时也增强了膜层跟表面的结合力。
进一步地，在涂覆亲水层之前先涂覆过渡层。
进一步地，过渡层为聚甲基丙烯酸酸酯系，膜厚为0.5～25g/m2，过渡层涂覆的烘干温度为245-250℃，烘干时间为20-25s。
进一步地，步骤S1中微弧氧化技术采用硅酸盐电解液体系，采用恒流电源或脉冲直流电源，氧化时间为10-60min。
进一步地，亲水层的膜厚0.2～1.5g/m2。
进一步地，亲水层包括水溶性纤维树脂亲水层、二氧化硅亲水层、SiO2/TiO2亲水层或无机粘结剂AP/TiO2亲水层。
进一步地，SiO2/TiO2亲水层的制备包括以下步骤：
1)、制备TiO2溶胶：将钛酸四丁酯逐滴加入无水乙醇和乙酰丙酮中混合均匀；
2)、制备SiO2溶胶：将TEOS缓慢加入无水乙醇中，然后加入盐酸，搅拌；
3)、TiO2溶胶和SiO2溶胶混合，加入盐酸，搅拌获得混合溶胶溶液；
4)、采用浸泡提拉法在样品上制备TiO2-SiO2薄膜：将微弧氧化过的样品放入混合溶胶溶液，然后取出。
进一步地，无机粘结剂AP/TiO2亲水层的制备包括以下步骤：
A)、无机粘结剂的配制：H3PO4采用去离子水稀释后加入Al(OH)3，搅拌获得无机粘结剂AP；
B)、将无机粘结剂AP溶解于去离子水，搅拌获得AP溶液；
C)、将纳米TiO2粉体加入酒精或去离子水中，搅拌获得TiO2溶液；
D)、将AP溶液加入到TiO2溶液中，搅拌，然后加入流平剂，搅拌混匀；
E)、将微弧氧化过的样品放入步骤D中获得的溶液中、静置。
一种采用上述制备方法制备的铝合金构件。
铝合金构件在腐蚀介质、干湿交替环境中的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明采用微弧氧化技术有效的增强了铝及铝合金的表面强度，并提高其使用寿命。
2、本发明通过微弧氧化在铝合金表面形成的微结构增强了表面亲水膜的附着力，同时提高了膜层的亲水能力；表面亲水涂覆在表面起到了填充微弧氧化产生的孔道的作用，这样即保护了孔道位置，防止孔道首先被环境腐蚀，同时也增强了膜层跟表面的结合力。
3、本发明良好的亲水性能在应用中可以有效减少甚至消除“水桥”现象的发生。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
一种铝合金构件的制备方法，包括以下步骤：
S1、微弧氧化：本实验使用常用的硅酸盐为主的电解液体系，采用去离子水配置，成分为：20g/L Na2SO3·9H2O，5g/L(NaPO3)6，1g/L KOH；采用恒流电源：仅选择正向脉冲，电流密度为10A/dm2，占空比60％,频率200HZ,处理温度控制在40℃以下，氧化时间为60min；将微弧氧化后的试样取出并用去离子水冲洗干净，再将试样用吹风吹干；
S2、涂覆过渡层：涂覆膜厚0.5～25g/m2的聚甲基丙烯酸酸酯系，250℃烘干20s；
S3、亲水层涂覆：在聚甲基丙烯酸酸酯系上涂覆水溶性纤维树脂，膜厚1.5g/m2，250℃烘干20s。
6063铝合金经过上述处理，测试其水接触角为10度左右，显微硬度为1490HV。
实施例2：
一种铝合金构件的制备方法，包括以下步骤：
S1、微弧氧化：采用脉冲直流电源，频率为500Hz，占空比15％—20％；电压300V-400V；反应时间为10min～30min，选用硅酸盐电解液，2g/L NaOH,8g/L Na2SiO3；
S2、配制亲水膜原液：5g二氧化硅溶于120mlH2O和180ml酒精中；搅拌30min，超声震荡15min，然后搅拌较长时间，最后加入2ml聚氨酯溶液，继续搅拌；
S3、涂覆亲水层：将上述二氧化硅溶液在样品上浇淋数次，然后悬挂，并气枪吹干残余液体，膜厚1.5g/m2，最后70℃烘干2小时。
6063铝合金经过上述处理，测试其水接触角为18度左右，显微硬度为1600HV。经过在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡100小时，表面无明显腐蚀。
实施例3：
一种铝合金构件的制备方法，包括以下步骤：
S1、微弧氧化：采用脉冲直流电源，选取电参数为电压300V-600V、频率500Hz、占空比12-18％，反应时间为10min～30min。电解液主要含有Na2SiO3和(NaPO3)6，其中Na2SiO3的浓度为8g/L，(NaPO3)6的浓度为7.5g/L；
S2、制备并涂覆SiO2/TiO2亲水层：
1)、制备TiO2溶胶：将20.5g(0.06mol)钛酸四丁酯(TBOT)逐滴加入100g无水乙醇和60.3g乙酰丙酮，搅拌1小时；
2)、制备SiO2溶胶：将8.3g(0.04mol)TEOS缓慢加入36.9g无水乙醇中，然后加入0.65ml盐酸HCl，搅拌1h；
3)、TiO2溶胶和SiO2溶胶混合，加入1.8mlHCl，搅拌1h获得混合溶胶溶液；
4)、采用浸泡提拉法在样品上制备TiO2-SiO2薄膜：将微弧氧化过的样品放入混合溶胶溶液5min，然后取出，膜厚1.5g/m2；
5)、将样品200℃下烘干30min，然后在马弗炉中以2℃/min的升温速度升温至550℃，保温1小时，自然冷却。
6063铝合金经过上述处理，测试其水接触角为10度左右，显微硬度为1800HV。经过在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡100小时，表面无明显腐蚀。
实施例4：
一种铝合金构件的制备方法，包括以下步骤：
S1、微弧氧化：电解液由9g/L的Na2SiO3和2g/L的Na OH组成，所用正/负向电流密度为8/4A·dm-2，脉冲频率为200Hz，占空比为20％，单个周期内的正/负向脉冲数之比为1。氧化时间15min～45min；
S2、亲水层的制备及涂覆：
A)、无机粘结剂的配制：取90g 85％H3PO4，加入37.5g去离子水，稀释成60％，并在温度100℃下搅拌，按照摩尔3:1取20.3g Al(OH)3加入H3PO4溶液中，继续搅拌3小时，得到无机粘结剂AP；
B)、取80g AP溶解在200ml去离子水，并搅拌获得AP溶液；
C)、取约0.5～2g纳米TiO2粉体加入15ml酒精/去离子水中，搅拌30min，然后超声震荡15min获得TiO2溶液；
D)、将AP溶液加入到TiO2溶液中，搅拌10min，然后超声震荡15min；最后加入2滴BKY流平剂，继续搅拌混匀；
E)、将微弧氧化过的样品放入步骤D中获得的溶液中、静置，最后气枪吹去多余的溶液，膜厚1.5g/m2；
F)、将静置晾干喷涂后的样品在温度120℃烘干2小时；然后240℃加热1小时。
6063铝合金经过上述处理，测试其水接触角为10度左右，显微硬度为1690HV。经过在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡100小时，表面无明显腐蚀。
对比例1：
本对比例基于实施例1，与实施例1的区别在于，只进行微弧氧化处理。
6063铝合金经过上述处理，测试其水接触角为23度左右，显微硬度为1510HV。
对比例2：
本对比例基于实施例2，与实施例2的区别在于，不进行微弧氧化处理。
6063铝合金经过上述处理，测试其水接触角为25度左右，显微硬度为100HV。经过在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡10小时，表面亲水层脱落，发现严重的点腐蚀。
对比例3：
本对比例基于实施例3，与实施例3的区别在于，不进行微弧氧化处理。
6063铝合金经过上述处理，测试其水接触角为25度左右，显微硬度为110HV。经过在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡10小时，表面亲水层部分脱落，发现点腐蚀。
对比例4：
本对比例基于实施例4，与实施例4的区别在于，不进行微弧氧化处理。
6063铝合金经过上述处理，测试其水接触角为25度左右，显微硬度为103HV。经过在3.5wt％NaCl水溶液中浸泡100小时，表面亲水层脱落，发现严重的点腐蚀。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铝合金构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用微弧氧化技术在铝合金表面生成氧化铝陶瓷膜；
S2、在氧化铝陶瓷膜表面涂覆亲水层。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金构件的制备方法，其特征在于，在涂覆亲水层之前先涂覆过渡层。
3.根据权利要求2所述的一种铝合金构件的制备方法，其特征在于，所述过渡层为聚甲基丙烯酸酸酯系，膜厚为0.5～25g/m2，过渡层的涂覆温度为245-250℃，时间为20-25s。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金构件的制备方法，其特征在于，步骤S1中微弧氧化技术采用硅酸盐电解液体系，采用恒流电源或脉冲直流电源，氧化时间为10-60min。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金构件的制备方法，其特征在于，所述亲水层的膜厚0.2～1.5g/m2。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金构件的制备方法，其特征在于，所述亲水层包括水溶性纤维树脂亲水层、二氧化硅亲水层、SiO2/TiO2亲水层或无机粘结剂AP/TiO2亲水层。
7.根据权利要求6所述的一种铝合金构件的制备方法，其特征在于，所述SiO2/TiO2亲水层的制备包括以下步骤：
1)、制备TiO2溶胶：将钛酸四丁酯逐滴加入无水乙醇和乙酰丙酮中混合均匀；
2)、制备SiO2溶胶：将TEOS缓慢加入无水乙醇中，然后加入盐酸，搅拌；
3)、TiO2溶胶和SiO2溶胶混合，加入盐酸，搅拌获得混合溶胶溶液；
4)、采用浸泡提拉法在样品上制备TiO2-SiO2薄膜：将微弧氧化过的样品放入混合溶胶溶液，然后取出。
8.根据权利要求6所述的一种铝合金构件的制备方法，其特征在于，所述无机粘结剂AP/TiO2亲水层的制备包括以下步骤：
A)、无机粘结剂的配制：H3PO4采用去离子水稀释后加入Al(OH)3，搅拌获得无机粘结剂AP；
B)、将无机粘结剂AP溶解于去离子水，搅拌获得AP溶液；
C)、将纳米TiO2粉体加入酒精或去离子水中，搅拌获得TiO2溶液；
D)、将AP溶液加入到TiO2溶液中，搅拌，然后加入流平剂，搅拌混匀；
E)、将微弧氧化过的样品放入步骤D中获得的溶液中、静置。
9.采用权利要求1-8任一项所述的一种铝合金构件的制备方法制备的铝合金构件。
10.如权利要求9所述铝合金构件在腐蚀介质、干湿交替环境中的应用。
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