一種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法，具體包括步驟一、鎂合金材料的預處理；步驟二、激光重熔前處理；步驟三、配制電解液；步驟四、微弧氧化處理；最后得具有耐蝕性增強的陶瓷膜層的鎂合金基材。本發(fā)明制備的膜層的截面孔洞和微裂紋較少，膜層表面的孔隙率降低到2％以下，鎂合金表面的自腐蝕電流密度較母材降低了3個數(shù)量級，同時其容抗弧半徑較大，其耐蝕性得到有效的提升。進一步改善了鎂合金基材微弧氧化膜的微觀形貌，提高了鎂合金基材表面的耐蝕性能的問題。
【專利說明】
一種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種鎂合金表面處理的一種方法，具體涉及一種在鎂合金表面制備耐蝕性增強的陶瓷膜層的方法。
【背景技術】
[0002]鎂合金具有比強度高、密度低、電磁屏蔽性和減震性好等優(yōu)點，已被各行各業(yè)廣泛采用。但是鎂的電極電位低(-2.34V)，使得鎂合金具有極高的化學和電化學活性，在潮濕特另IJ是海洋環(huán)境中極易腐蝕，如WE43鎂合金的自腐蝕電流密度為3.70x10—5A/cm2，自腐蝕電流密度較大，同時，其電化學阻抗譜的容抗弧的半徑也較小，這些都表明了它耐蝕性能較差。微弧氧化表面處理技術是通過在電解質溶液中發(fā)生陽極微等離子體擊穿(火花放電或微弧)，可以使鎂合金表面獲得耐磨耐蝕且與基體結合良好的陶瓷膜層，從而極大改善鎂合金的表面性能。但是，單獨微弧氧化形成的膜層其表面孔隙率較高，如WE43鎂合金微弧氧化膜層的孔隙率為13.9%，截面的微孔洞和微裂紋也較多，因此，進一步提高鎂合金微弧氧化的膜層性能以及進一步提高鎂合金的耐蝕性能對擴大鎂合金的應用范圍具有重要的意義。中國專利“申請?zhí)?201310157270.9”報道了一種基于微弧氧化和激光重熔的致密性增強型陶瓷膜層的制備方法，通過激光重熔來后處理微弧氧化的膜層，從而使膜層的致密性得到增強。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是要解決如何進一步改善鎂合金微弧氧化膜的微觀形貌以及進一步提高鎂合金表面的耐蝕性能的問題，而提供一種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0005]—種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法，包括以下步驟:
[0006]—、鎂合金基材的預處理:對鎂合金基材打磨、清洗，最后吹干。
[0007]二、激光重熔前處理:將步驟一預處理后的鎂合金基材裝卡至激光機床工作臺上，利用光纖激光器產(chǎn)生的高能激光束對鎂合金基材進行表面重熔處理，激光束掃描路徑為單層路徑掃描方式，設置激光平均功率為700W?1100W，掃描速度為600mm/min?1000mm/min，得到激光重熔后的鎂合金基材。
[0008]三、配制電解液:將按質量濃度為5g/L?8g/L的硅酸鈉，6g/L?1g/!的氟化鉀和10g/L?12g/L的氫氧化鈉依次加入到去離子水中，攪拌至完全溶解，得到電解液。
[0009]四、微弧氧化處理:將步驟二激光重熔前處理后的鎂合金基材置于步驟三配制的電解液中，以步驟二激光重熔前處理后的鎂合金基材為正極，裝有電解液的不銹鋼槽體作為負極，采用單極性恒流模式處理，處理過程中保持電解液溫度為20°C?45°C，最后將已成膜的鎂合金基材表面用去離子水沖洗干凈，烘干后即得到具有耐蝕性增強型陶瓷膜層的鎂合金基材。[ΟΟ? O]進一步，上述步驟一中所述的鎂合金基材為WE43稀土鎂合金。
[0011]進一步，上述步驟二中所述的光纖激光器為光纖耦合輸出全固態(tài)激光器，激光平均功率為700?1100W，光斑大小為I \61111]1的方形光斑，掃描速度為600?10001111]1/1]1；[11。
[0012]進一步，上述步驟四中所述的單極性恒流模式處理的具體工藝參數(shù)是:鎂合金基材的尺寸大小為30mm X 20mm X 5mm，電流大小為1.5A?2A，電源頻率為500Hz，脈沖寬度為40ys?80ys，處理時間為3min?9min。
[0013]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果主要是:
[0014]本發(fā)明中的激光重熔是激光表面處理的一種技術，它是用高能激光束輻照金屬表面，使一定厚度的表層材料瞬間熔化，然后依靠處于低溫的基體，將熔池急冷，從而使材料表面組織發(fā)生較大變化，包括晶粒細化、第二相的重新分布、提高基相中合金及雜質元素的固溶度等，這些因素可使鎂合金材料的表面性能，特別是耐蝕性能得到改善。經(jīng)動電位極化曲線測試表明，激光重熔后的鎂合金基材表面其自腐蝕電流密度為9.98x10—6A/cm2，較母材的鎂合金表面自腐蝕電流密度3.70x10—5A/cm2，大約降低了一個數(shù)量級，耐蝕性能得到提升。激光重熔后鎂合金基體表面可以獲得I?1.3_的重熔層，該重熔層連續(xù)且致密，可以阻擋腐蝕介質穿透其上的微弧氧化膜層進入鎂合金基體表面，從而進一步提高鎂合金基體材料的耐蝕性能。經(jīng)動電位極化曲線測試亦表明，經(jīng)過激光重熔預處理后的微弧氧化膜的自腐蝕電流密度為3.76x10—8A/cm2，較單獨微弧氧化膜的自腐蝕電流密度1.01x10—7A/cm2，近似又降低了一個數(shù)量級，其耐蝕性能更高。從電化學阻抗譜可以看出，其容抗弧的半徑明顯變大，耐蝕性能得到了進一步提升。同時，激光重熔前處理后的鎂合金的微弧氧化膜層的截面孔洞和微裂紋變得較少，膜層表面的孔隙率降低到1.8%，有效的改善了膜層的性能。另外，本發(fā)明所使用的技術環(huán)保無污染，屬于綠色制造技術。
【附圖說明】
[0015]圖1中的圖(a)為未經(jīng)步驟二而單獨進行步驟四制備的試樣膜層的截面微觀形貌圖，圖(b)為圖(a)中的局部放大圖；
[0016]圖2中圖(a)為經(jīng)步驟二和步驟四制備的試樣膜層的截面的微觀形貌圖，圖(b)為圖(a)中的局部放大圖；
[0017]圖3為未經(jīng)步驟二而單獨進行步驟四制備的試樣膜層以及經(jīng)步驟二和步驟四制備的試樣膜層的奈氏圖，圖中的圓弧為容抗弧。
【具體實施方式】
[0018]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0019]—種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法，按以下步驟進行:
[0020]步驟一、鎂合金基材的預處理:對鎂合金基材表面依次采用800?1200%^SiC水砂紙打磨，將打磨后的鎂合金基材水洗6min，再將水洗后的鎂合金基材放入無水乙醇中，經(jīng)頻率為40KHz的超聲波清洗5min，最后在去離子水中清洗6min后，冷風吹干，得到預處理后的鎂合金基材；[0021 ]步驟二、激光重熔前處理:由于鎂合金基材表面對激光強烈反射，為了提高鎂合金基體表面對激光能量的吸收，故在鎂合金基材表面均勻噴涂一層黑漆。同時為了減小處理過程中鎂合金基材的蒸發(fā)與氧化，采用氬氣對激光熔池進行保護，氣流量為10L/min。將步驟一預處理后的鎂合金基材裝卡至激光機床工作臺上，采用2kW光纖耦合輸出全固態(tài)激光器對基材表面進行激光重熔處理，激光能量連續(xù)，光纖直徑400μπι。激光重熔工藝參數(shù)為:激光平均功率700W，光斑大小11111]1\61]11]1的方形光斑，掃描速度600_/1]1；[11，沿鎂合金基材的長度方向掃描，掃描道間的搭接率為30%，處理后得到激光重熔后的鎂合金基材。
[0022]步驟三、配制電解液:將按質量濃度為5g/L?8g/L的硅酸鈉，6g//L?1g/!的氟化鉀和10g/L?12g/L的氫氧化鈉依次加入到去離子水中，攪拌至完全溶解，得到電解液。
[0023]步驟四、微弧氧化處理:將步驟二處理后的鎂合金基材采用線切割機床切割成尺寸為301111]1\201]11]1\51]11]1的試樣，經(jīng)2000#的3;[(]水砂紙打磨后，用去離子水清洗9min后，最后置于無水乙醇中，經(jīng)頻率為40KHz的超聲波清洗1min后冷風吹干，將吹干后的試樣置于步驟三配制的電解液中，以試樣為接電源正極，裝有電解液的不銹鋼槽體接電源負極，采用單極性恒流模式，其中電流1.7A、電源頻率500Hz、脈沖寬度40ys，處理6min，保持電解液溫度30?50°C，得到膜層厚度在15μπι的工件，然后用去離子水清洗5min，直至表面潔凈后于溫度為55 °C干燥的條件下干燥15min，即得到微弧氧化處理后的鎂合金基材。
[0024]本發(fā)明步驟一中所述的鎂合金型號為WE43稀土鎂合金，尺寸為60mm X 40mm X1 Omnin
[0025]微弧氧化電源為成都金創(chuàng)立科技有限責任公司研制，型號為JCL-AM0Z10，激光器是江蘇中科四象激光科技有限公司生產(chǎn)的，型號為ZKSX-2004。
[0026]采用日本Hitachi公司生產(chǎn)的S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)檢測未經(jīng)步驟二而單獨進行步驟四制備的試樣膜層的表面和截面的微觀形貌，檢測結果如圖1所示，由圖1可知，單獨進行步驟四制備的試樣的膜層表現(xiàn)為疏松多孔，組織內(nèi)部多裂紋等特征，經(jīng)Image J圖像處理軟件分析后得到其孔隙率為13.9%。
[0027]采用日本Hitachi公司生產(chǎn)的S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)檢測經(jīng)步驟二而隨后進行步驟四制備的試樣膜層的表面和截面的微觀形貌，檢測結果如圖2所示，圖2為步驟四制備的具有耐蝕性增強的陶瓷膜層的試樣的膜層截面形貌圖，由圖2可知，進行激光重熔前處理后得到的具有耐蝕性增強的陶瓷膜層的試樣膜層內(nèi)部的氣孔和裂紋數(shù)目減少，致密性明顯提高，膜層表面也變得光滑，經(jīng)Image J圖像處理軟件分析后得到其孔隙率僅為1.8%，這表明鎂合金微弧氧化的膜層的性能得到提高。
[0028]采用美國Gamary公司生產(chǎn)的Reference 600型電化學工作站檢測未經(jīng)步驟二而單獨進行步驟四制備的試樣膜層以及經(jīng)步驟二而隨后進行步驟四制備的試樣膜層的電化學阻抗譜和動電位極化曲線，測試采用三電極體系:試樣為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，腐蝕液采用NaCl(分析純AR)和去離子水配制的質量分數(shù)為3.5%的NaCl溶液。測試的結果如圖3所示，圖3為微弧氧化膜層的電化學阻抗譜的奈氏圖，由圖3可以看出，不同的試樣的奈氏圖均由高頻區(qū)的容抗弧和低頻區(qū)的容抗弧構成。高頻容抗弧反應微弧氧化膜外部多孔層的電阻和電容的特點，低頻容抗弧則與致密內(nèi)層的電阻和電容相關。奈氏圖中容抗弧半徑與腐蝕速率有密切關系，半徑越大耐蝕性能越好，對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過步驟二而隨后進行步驟四制備的試樣膜層的容抗弧明顯很大，這說明了經(jīng)過經(jīng)過步驟二而隨后進行步驟四制備的試樣膜層的耐蝕性能要優(yōu)于未經(jīng)步驟二而單獨進行步驟四制備的試樣膜層的耐蝕性能，同時，由動電位極化曲線擬合的結果可以得出，步驟一預處理后的鎂合金母材的自腐蝕電流密度為3.70x10—5A/cm2，而經(jīng)步驟二處理后，其自腐蝕電流密度為9.98x10—iVcm2，較步驟一鎂合金母材的自腐蝕電流密度大約降低了一個數(shù)量級，自腐蝕電流密度越小，其耐蝕性能越好，因此可以看出，與未經(jīng)過步驟二的鎂合金母材相比，經(jīng)過步驟二的鎂合金試樣的耐蝕性能得到了提升。另外，經(jīng)步驟二而隨后進行步驟四制備的試樣膜層的自腐蝕電流密度為3.76xlO-8A/Cm2，較未經(jīng)步驟二而單獨進行步驟四制備的試樣膜層的自腐蝕電流密度1.0lxl 0-7A/cm2，近似又降低了一個數(shù)量級，鎂合金的耐蝕性能得到了進一步提升。
[0029]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一、鎂合金基材的預處理:對鎂合金基材打磨、清洗，最后吹干； 步驟二、激光重熔前處理:將步驟一預處理后的鎂合金基材裝卡至激光機床工作臺上，利用光纖激光器產(chǎn)生的高能激光束對鎂合金基材進行表面激光重熔處理，得到激光重熔后的鎂合金基材； 步驟三、配制電解液:將按質量濃度為5g/L?8g/L的硅酸鈉，6g//L?1g/!的氟化鉀和10g/L?12g/L的氫氧化鈉依次加入到去離子水中，攪拌至充分溶解，得到電解液； 步驟四、微弧氧化處理:將步驟二激光重熔前處理后的鎂合金基材置于步驟三配制的電解液中，以步驟二激光重熔前處理后的鎂合金基材為正極，裝有電解液的不銹鋼槽體作為負極，采用單極性恒流模式處理，處理過程中保持電解液溫度為20°C?45°C，最后將已成膜的鎂合金基材表面用去離子水沖洗干凈，烘干后即得到具有耐蝕性增強型陶瓷膜層的鎂合金基材。2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法，其特征在于步驟一中所述的鎂合金基材為WE43稀土鎂合金。3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法，其特征在于步驟一中所述的預處理的具體方法是，先依次采用800?1200#的SiC水砂紙對鎂合金基材打磨，然后水洗6min，再將水洗后的鎂合金基材放入無水乙醇中，經(jīng)頻率為40KHz的超聲波清洗5min，最后在去離子水中清洗6min后，冷風吹干。4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法，其特征在于步驟二中所述的光纖激光器為光纖耦合輸出全固態(tài)激光器，激光平均功率為700?1100W，光斑大小為I \61111]1的方形光斑，掃描速度為600?10001111]1/1]1；[11。5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光重熔和微弧氧化的陶瓷膜層的制備方法，其特征在于步驟四中所述的單極性恒流模式處理的具體參數(shù)是:鎂合金基材的尺寸大小為30mmX 20mm X 5mm，電流大小為I.5A?2A，電源頻率為500Hz，脈沖寬度為40ys?80ys，處理時間為3min?9min。
【文檔編號】C25D11/30GK106086994SQ201610592511
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月25日 公開號201610592511.6, CN 106086994 A, CN 106086994A, CN 201610592511, CN-A-106086994, CN106086994 A, CN106086994A, CN201610592511, CN201610592511.6
【發(fā)明人】楊武, 張春燕
【申請人】江蘇科技大學