一种钛合金表面制备红色和绿色涂层的方法与流程

1.本发明涉及阀金属表面处理与防护技术领域，特别涉及钛合金表面制备红色和绿色涂层的方法。


背景技术：

2.微弧氧化技术亦称阳极火花沉积、微弧放电氧化、等离子微放电氧化及等离子体电解氧化。它是将铝、镁、钛、锆等金属及其合金作为阳极置于特定的电解液中，在高电压、强电场环境中发生微弧放电现象，在热化学、等离子化学和电化学共同作用下生成以基体金属的氧化物等陶瓷相组成的膜层。
3.目前钛合金表面着色处理有多种方式，包括直接微弧氧化法、电镀法、激光着色法等。钛合金表面直接通过微弧氧化技术进行着色得到陶瓷层及复合涂层的颜色较为单一，且难以实现定向着色，在很多领域的应用受到限制。电镀法生产设备昂贵、生产环境污染大易产生工业废水，同时镀层的结合性较差。激光着色不需要专门的涂料，具有无接触、加工灵活的优点，但是着色稳定性均匀性较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种钛合金表面制备红色和绿色涂层的方法，解决了钛合金只利用微弧氧化着色制备表面膜层颜色单一的缺点，可以实现表面颜色多样化。
5.本发明的技术方案为：一种钛合金表面制备红色和绿色涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.(1)预处理：先用砂纸湿磨，将表面切割痕迹及附着的物质清除，最终得到光滑平整的表面，使用无水乙醇清洗后吹干；
7.(2)微弧氧化电解液的配制：主盐为硅酸钠，成膜剂为氟化钠，络合剂为六偏磷酸钠；
8.(3)微弧氧化处理：以钛合金为阳极，不锈钢槽为阴极，阳极浸没在配置好的电解液中；采用交流双脉冲微弧氧化设备对钛合金进行微弧氧化处理，设置好电参数，同时施加机械搅拌和开动冷却装置；
9.(4)搪瓷涂层浆料制备：将粉料按照配比配好后加入黏土，溶入无水乙醇中，后倒入球磨罐中，机械混合；
10.(5)搪瓷涂层喷涂：将球磨料烘干后加入无水乙醇，稀释至20～25g/l；倒入喷枪中，均匀喷涂至试样表面，吹干后放入干燥箱中在100～150℃下干燥1～2h；
11.(6)搪瓷涂层的烧结：将烘干后的搪瓷涂层放入真空炉中高温烧结，烧结后空冷。
12.进一步地，步骤(2)微弧氧化电解液配方为：主盐为10～20g/l硅酸钠，成膜剂1～3g/l氟化钠，络合剂为5～7g/l六偏磷酸钠；对应步骤(3)电参数设置为：电压为450～500v，频率450～500hz，电流0.3～1.7a，占空比15～20％；同时施加机械搅拌和开动冷却装置，温度控制在10℃～70℃，处理时间30～50min。
13.进一步地，步骤(4)搪瓷涂层浆料制备中粉料包括基体剂、助溶剂、乳浊剂、辅助剂和着色剂；其中，基体剂包括sio2、tio2，助溶剂包括b2o3、k2o，乳浊剂包括zro2，辅助剂包括zno、cao、al2o3，着色剂包括fe2o3、cr2o3。
14.进一步地，搪瓷涂层浆料制备红色搪瓷涂层的着色剂为fe2o3；釉料配比为55～60％sio2、4～7％al2o3、4～6％zro2、8～10％zno、2～4％tio2、3～5％cao、6～8％k2o、4～6％％b2o3、3～4％fe2o3。
15.进一步地，搪瓷涂层浆料制备绿色搪瓷涂层的着色剂为cr2o3；釉料配比为55～60％sio2、4～7％al2o3、4～6％zro2、8～10％zno、2～4％tio2、3～5％cao、6～8％k2o、4～6％％b2o3、3～4％cr2o3。
16.进一步地，步骤(4)中，釉料按照配方配置好后，加入2～3％的黏土；球磨罐转速300～400r/min，球磨时间680～720min，料球比：2:1。
17.进一步地，步骤(6)中，高温烧结温度为700～850℃，烧结后空冷50～70min。
18.进一步地，不同高温烧结温度处理采用梯度烧结、反复喷涂的方法；如700℃烧结试样的制备的步骤进行，850℃烧结试样的制备需要在已经制备好的700℃试样的基础上再进行一遍喷涂和烧结步骤。
19.本发明的有益效果是：
20.1.本发明解决了钛合金着色前处理即微弧氧化处理着色色彩单一的问题，本发明采用微弧氧化后进行料浆烧结处理着色的方法，在提高钛合金表面膜层的性能的同时，提高了色彩的丰富程度；
21.2.微弧氧化后的氧化膜层，其表面特殊的多孔结构及一定的粗糙度，有利于后涂层膜层的附着；
22.3.相较于微弧氧化后的氧化膜层，微弧氧化及料浆法处理后的膜层与钛合金表面结合程度以及其膜层自身的表面形貌均有明显改善；
23.4.本发明采用料浆烧结着色，操作简单；采用不同的着色剂配方制作的料浆烧结后就可实现多种颜色膜层的制备；所用料浆配制较容易，操作简单、节省原料；
24.5.本发明制作整体工艺方法简单，操作性强、操作结果可控；可以在制备出不同颜色搪瓷涂层的同时，增加钛合金表面耐腐蚀、耐高温等性能。
附图说明
25.图1为实施例一中钛合金表面微弧氧化料浆法700℃烧结着色处理制备红色搪瓷膜层表面形貌
26.图2为实施例二中钛合金表面微弧氧化料浆法700℃烧结着色处理制备绿色搪瓷膜层表面形貌
27.图3为实施例三中钛合金表面微弧氧化料浆法850℃烧结着色处理制备红色搪瓷膜层表面形貌
28.图4为实施例四中钛合金表面微弧氧化料浆法850℃烧结着色处理制备绿色搪瓷膜层表面形貌
29.图5为实施例一至实施例七钛合金表面制备的不同膜层的结合力对比。
具体实施方式
30.下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，但不限制本发明的保护范围和应用范围。
31.实施例一
32.钛合金表面微弧氧化料浆法700℃烧结着色处理制备红色搪瓷膜层，包括以下步骤：
33.(1)预处理：先用砂纸湿磨，将表面切割痕迹及附着的其他物质清除，最终得到光滑平整的表面，使用无水乙醇清洗后吹干；
34.(2)微弧氧化电解液的配制：主盐10～20g/l硅酸钠，成膜剂1～3g/l氟化钠，络合剂为5～7g/l六偏磷酸钠；
35.(3)微弧氧化处理：以钛合金为阳极，不锈钢槽为阴极，阳极浸没在配置好的电解液中；采用交流双脉冲微弧氧化设备对钛合金试样进行微弧氧化处理，电参数为：电压为450v，频率500hz，电流0.3～1.7a，占空比20％；同时施加机械搅拌和开动冷却装置，温度控制在10℃～70℃，处理时间30min；
36.(4)搪瓷涂层浆料制备：基体剂sio2、tio2，助溶剂b2o3、k2o，乳浊剂zro2，辅助剂zno、cao、al2o3，着色剂fe2o3，釉料配比为55～60％sio2、4～7％al2o3、4～6％zro2、8～10％zno、2～4％tio2、3～5％cao、6～8％k2o、4～6％b2o3、3～4％fe2o3；将粉料按照配比配好后加入2％黏土，溶入无水乙醇中，后倒入球磨罐中，机械混合，球磨时转速300r/min，球磨时间720min，料球比：2:1；
37.(5)搪瓷涂层喷涂：将球磨料烘干后加入无水乙醇，稀释至20g/l；倒入喷枪中，均匀喷涂至试样表面，吹干后放入干燥箱中在100℃下干燥1h；
38.(6)搪瓷涂层的烧结：将烘干后的试样放入真空炉中700℃高温烧结，烧结后空冷50min。
39.实施例二
40.钛合金表面微弧氧化料浆法700℃烧结着色处理制备绿色搪瓷膜层，包括以下步骤：
41.(1)预处理：先用砂纸湿磨，将表面切割痕迹及附着的其他物质清除，最终得到光滑平整的表面，使用无水乙醇清洗后吹干；
42.(2)微弧氧化电解液的配制：主盐10～20g/l硅酸钠，成膜剂1～3g/l氟化钠，络合剂为5～7g/l六偏磷酸钠；
43.(3)微弧氧化处理：以钛合金为阳极，不锈钢槽为阴极，阳极浸没在配置好的电解液中；采用交流双脉冲微弧氧化设备对钛合金试样进行微弧氧化处理，电参数为：电压为450v，频率500hz，电流0.3～1.7a，占空比20％；同时施加机械搅拌和开动冷却装置，温度控制在10℃～70℃，处理时间30min；
44.(4)搪瓷涂层浆料制备：基体剂sio2、tio2，助溶剂b2o3、k2o，乳浊剂zro2，辅助剂zno、cao、al2o3，着色剂cr2o3，釉料配比为55～60％sio2、4～7％al2o3、4～6％zro2、8～10％zno、2～4％tio2、3～5％cao、6～8％k2o、4～6％b2o3、3～4％cr2o3；将粉料按照配比配好后加入2％黏土，溶入无水乙醇中，后倒入球磨罐中，机械混合，球磨时转速300r/min，球磨时间720min，料球比：2:1；
45.(5)搪瓷涂层喷涂：将球磨料烘干后加入无水乙醇，稀释至20g/l；倒入喷枪中，均匀喷涂至试样表面，吹干后放入干燥箱中在100℃下干燥1h；
46.(6)搪瓷涂层的烧结：将烘干后的试样放入真空炉中700℃高温烧结，烧结后空冷50min。
47.实施例三
48.钛合金表面微弧氧化料浆法850℃烧结着色处理制备红色搪瓷膜层，包括以下步骤：
49.(1)预处理：先用砂纸湿磨，将表面切割痕迹及附着的其他物质清除，最终得到光滑平整的表面，使用无水乙醇清洗后吹干；
50.(2)微弧氧化电解液的配制：主盐10～20g/l硅酸钠，成膜剂1～3g/l氟化钠，络合剂为5～7g/l六偏磷酸钠；
51.(3)微弧氧化处理：以钛合金为阳极，不锈钢槽为阴极，阳极浸没在配置好的电解液中；采用交流双脉冲微弧氧化设备对钛合金试样进行微弧氧化处理，电参数为：电压为450v，频率500hz，电流0.3～1.7a，占空比20％；同时施加机械搅拌和开动冷却装置，温度控制在10℃～70℃，处理时间30min；
52.(4)搪瓷涂层浆料制备：基体剂sio2、tio2，助溶剂b2o3、k2o，乳浊剂zro2，辅助剂zno、cao、al2o3，着色剂fe2o3，釉料配比为55～60％sio2、4～7％al2o3、4～6％zro2、8～10％zno、2～4％tio2、3～5％cao、6～8％k2o、4～6％b2o3、3～4％fe2o3；将粉料按照配比配好后加入2％黏土，溶入无水乙醇中，后倒入球磨罐中，机械混合，球磨时转速300r/min，球磨时间720min，料球比：2:1；
53.(5)搪瓷涂层喷涂：将球磨料烘干后加入无水乙醇，稀释至20g/l；倒入喷枪中，均匀喷涂至试样表面，吹干后放入干燥箱中在100℃下干燥1h；
54.(6)搪瓷涂层的烧结：将烘干后的试样放入真空炉中700℃高温烧结，烧结后空冷50min；
55.(7)搪瓷涂层二次喷涂：将700℃高温烧结后的试样作为基体，按照同样的配方再次配制釉料，在试样表面均匀喷涂，吹干后放入干燥箱中100℃下干燥1h；
56.(8)搪瓷涂层二次烧结：将烘干后的试样放入真空炉中850℃高温烧结，烧结后空冷50min。
57.实施例四
58.钛合金表面微弧氧化料浆法850℃烧结着色处理制备绿色搪瓷膜层，包括以下步骤：
59.(1)预处理：先用砂纸湿磨，将表面切割痕迹及附着的其他物质清除，最终得到光滑平整的表面，使用无水乙醇清洗后吹干；
60.(2)微弧氧化电解液的配制：主盐10～20g/l硅酸钠，成膜剂1～3g/l氟化钠，络合剂为5～7g/l六偏磷酸钠；
61.(3)微弧氧化处理：以钛合金为阳极，不锈钢槽为阴极，阳极浸没在配置好的电解液中；采用交流双脉冲微弧氧化设备对钛合金试样进行微弧氧化处理，电参数为：电压为450v，频率500hz，电流0.3～1.7a，占空比20％；同时施加机械搅拌和开动冷却装置，温度控制在10℃～70℃，处理时间30min；
62.(4)搪瓷涂层浆料制备：基体剂sio2、tio2，助溶剂b2o3、k2o，乳浊剂zro2，辅助剂zno、cao、al2o3，着色剂cr2o3，釉料配比为55～60％sio2、4～7％al2o3、4～6％zro2、8～10％zno、2～4％tio2、3～5％cao、6～8％k2o、4～6％b2o3、3～4％cr2o3；将粉料按照配比配好后加入2％黏土，溶入无水乙醇中，后倒入球磨罐中，机械混合，球磨时转速300r/min，球磨时间720min，料球比：2:1；
63.(5)搪瓷涂层喷涂：将球磨料烘干后加入无水乙醇，稀释至20g/l；倒入喷枪中，均匀喷涂至试样表面，吹干后放入干燥箱中在100℃下干燥1h；
64.(6)搪瓷涂层的烧结：将烘干后的试样放入真空炉中700℃高温烧结，烧结后空冷50min
65.(7)搪瓷涂层二次喷涂：将700℃高温烧结后的试样作为基体，按照同样的配方再次配制釉料，在试样表面均匀喷涂，吹干后放入干燥箱中100℃下干燥1h；
66.(8)搪瓷涂层二次烧结：将烘干后的试样放入真空炉中850℃高温烧结，烧结后空冷50min。
67.实施例五
68.钛合金表面微弧氧化料浆法未烧结着色处理制备红色搪瓷膜层，包括以下步骤：
69.(1)预处理：先用砂纸湿磨，将表面切割痕迹及附着的其他物质清除，最终得到光滑平整的表面，使用无水乙醇清洗后吹干；
70.(2)微弧氧化电解液的配制：主盐10～20g/l硅酸钠，成膜剂1～3g/l氟化钠，络合剂为5～7g/l六偏磷酸钠；
71.(3)微弧氧化处理：以钛合金为阳极，不锈钢槽为阴极，阳极浸没在配置好的电解液中；采用交流双脉冲微弧氧化设备对钛合金试样进行微弧氧化处理，电参数为：电压为450v，频率500hz，电流0.3～1.7a，占空比20％；同时施加机械搅拌和开动冷却装置，温度控制在10℃～70℃，处理时间30min；
72.(4)搪瓷涂层浆料制备：基体剂sio2、tio2，助溶剂b2o3、k2o，乳浊剂zro2，辅助剂zno、cao、al2o3，着色剂fe2o3，釉料配比为55～60％sio2、4～7％al2o3、4～6％zro2、8～10％zno、2～4％tio2、3～5％cao、6～8％k2o、4～6％b2o3、3～4％fe2o3；将粉料按照配比配好后加入2％黏土，溶入无水乙醇中，后倒入球磨罐中，机械混合，球磨时转速300r/min，球磨时间720min，料球比：2:1；
73.(5)搪瓷涂层喷涂：将球磨料烘干后加入无水乙醇，稀释至20g/l；倒入喷枪中，均匀喷涂至试样表面，吹干后放入干燥箱中在100℃下干燥1h。
74.实施例六
75.钛合金表面微弧氧化料浆法未烧结着色处理制备绿色搪瓷膜层，包括以下步骤：
76.(1)预处理：先用砂纸湿磨，将表面切割痕迹及附着的其他物质清除，最终得到光滑平整的表面，使用无水乙醇清洗后吹干；
77.(2)微弧氧化电解液的配制：主盐10～20g/l硅酸钠，成膜剂1～3g/l氟化钠，络合剂为5～7g/l六偏磷酸钠；
78.(3)微弧氧化处理：以钛合金为阳极，不锈钢槽为阴极，阳极浸没在配置好的电解液中；采用交流双脉冲微弧氧化设备对钛合金试样进行微弧氧化处理，电参数为：电压为450v，频率500hz，电流0.3～1.7a，占空比20％；同时施加机械搅拌和开动冷却装置，温度控
制在10℃～70℃，处理时间30min；
79.(4)搪瓷涂层浆料制备：基体剂sio2、tio2，助溶剂b2o3、k2o，乳浊剂zro2，辅助剂zno、cao、al2o3，着色剂cr2o3，釉料配比为55～60％sio2、4～7％al2o3、4～6％zro2、8～10％zno、2～4％tio2、3～5％cao、6～8％k2o、4～6％b2o3、3～4％cr2o3；将粉料按照配比配好后加入2％黏土，溶入无水乙醇中，后倒入球磨罐中，机械混合，球磨时转速300r/min，球磨时间720min，料球比：2:1；
80.(5)搪瓷涂层喷涂：将球磨料烘干后加入无水乙醇，稀释至20g/l；倒入喷枪中，均匀喷涂至试样表面，吹干后放入干燥箱中在100℃下干燥1h。
81.实施例七
82.钛合金表面微弧氧化制备氧化膜层，包括以下步骤：
83.(1)预处理：先用砂纸湿磨，将表面切割痕迹及附着的其他物质清除，最终得到光滑平整的表面，使用无水乙醇清洗后吹干；
84.(2)微弧氧化电解液的配制：主盐10～20g/l硅酸钠，成膜剂1～3g/l氟化钠，络合剂为5～7g/l六偏磷酸钠；
85.(3)微弧氧化处理：以钛合金为阳极，不锈钢槽为阴极，阳极浸没在配置好的电解液中；采用交流双脉冲微弧氧化设备对钛合金试样进行微弧氧化处理，电参数为：电压为450v，频率500hz，电流0.3～1.7a，占空比20％；同时施加机械搅拌和开动冷却装置，温度控制在10℃～70℃，处理时间30min。
86.如图1至图4所示，通过场发射扫描电子显微镜su8020能谱仪pv8200对本发明所制备的红色涂层和绿色涂层进行形貌检测，如图中所示850℃烧结式样的瓷釉复合层覆盖性更好，小孔基本被封闭，而700℃烧结式样的涂质层还残留少许孔洞未封闭。通过对不同烧结温度下制备的涂层的微观形貌进行对比可知，随着烧结温度的升高，微弧氧化陶瓷层与釉料得到完全浸润，将微弧氧化陶瓷层的微孔完全封闭，850℃烧结式样相比于700℃烧结式样，得到的涂层覆盖性更好。
87.如图5所示，通过附着力自动划痕仪ws
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2005对实施例一至实施例七钛合金表面制备的不同膜层的结合力对比可知；本发明采用微弧氧化后进行料浆烧结处理着色的方法，在提高钛合金表面膜层的性能的同时，提高了色彩的丰富程度。不同温度烧结处理采用梯度烧结、反复喷涂的方法，即700℃烧结试样的制备的步骤进行，850℃烧结试样的制备需要在已经制备好的700℃试样的基础上再进行一遍喷涂和烧结步骤；进一步提高了涂层的结合力。由图5所示，经过着色处理的试样结合力优于微弧氧化原样，且经过850℃梯度烧结的试样比700℃烧结的试样结合力更大，式样基体与表面涂层的结合程度更好。
88.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或简单替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。