CN110484866B - 一种铝合金表面防腐涂层的制备方法 - Google Patents

一种铝合金表面防腐涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金表面防腐涂层的制备方法，其特征在于：在真空环境下，在520℃±5℃下加热装有Mg块和铝合金的容器，并使Mg块蒸发形成Mg蒸气，蒸镀到铝合金表面形成金属间化合物，随后将铝合金进行氧化，生成Mg‑Al‑O氧化物涂层覆盖在Mg‑Al金属间化合物层上。本发明将铝合金和Mg块置于同一温度，在铝合金不熔化变形的前提下，使Mg块蒸发成Mg蒸汽并蒸镀到铝合金表面，较之传统真空蒸镀，其优点在于，不用进行繁琐的操作，成本较低，耗时短，蒸镀后的氧化处理涂层仅需要将铝合金置于箱式炉内既可完成。

Description

一种铝合金表面防腐涂层的制备方法
技术领域
本发明属于表面涂层制备技术领域，尤其涉及铝合金表面防腐涂层的制备方法，具体为铝合金表面蒸镀Mg生成Mg-Al化合物后再经氧化生成Mg-Al-O氧化物双重复合涂层。
背景技术
铝及其合金强度高、密度低、导电导热性强，力学性能优异，可加工性好等优点而广泛应用于化学工业、航空航天工业、汽车制造业、食品工业、电子仪器仪表业以及海洋船舶工业等领域。铝及其合金易与空气中的氧气生成一层厚约4nm的氧化膜，但这层氧化膜致密性差，不均匀且抗蚀性差，无法抵抗恶劣环境的腐蚀。此外，铝及其合金还易与海水发生电化学腐蚀，而降低了其使用寿命。为解决上述问题，需要对铝合金表面进行保护，而在铝合金表面制备一层或多层耐蚀的涂层便是一个较为理想的解决方案。
现在对于金属薄膜的制备一般采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)技术。PVD(物理气相沉积)技术出现于20世纪70年代，该技术被广泛应用于制备优异的保护性薄膜。不仅适合于多种基体材料，也适用于多种镀层材料。与CVD(化学气相沉积)工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600℃以下时对基体材料的抗弯强度无影响；镀层内部应力状态为压应力，更适合对硬质合金材料的涂层处理；PVD工艺对环境无不利影响，符合线代绿色制造的发展方向，是典型的无污染、零排放技术。随着现代工业发展与环境保护之间的矛盾越来越突出，人们对产品的质量和服役寿命提出了跟高的要求，PVD表面工程技术正是在这一技术背景下应运而生的。它具有传统表面处理无可比拟的有点——超薄、耐高温、无污染，这些特点决定了PVD技术是现在和未来表面加工处理的主要技术之一。本发明不同于传统真空蒸镀，在进行蒸镀时不需要使用真空蒸镀机进行蒸镀，取而代之的是将基体材料和蒸发材料密封于同一石英管中，将石英管放置于箱式炉中进行蒸镀，大大降低了成本。单一的金属间化合物薄膜对于基体材料的保护是有限的，对蒸镀后的基体材料进行氧化，选择性氧化促使合金元素向表面富集，形成完整致密性强的氧化膜，通过低氧压条件下预氧化表面改性可以提高金属材料抗高温氧化或腐蚀性能。本发明旨在制得一层氧化物薄膜覆盖在蒸镀涂层上，对基体进行双重保护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备Mg-Al金属间化合物、Mg-Al-O氧化物双重复合涂层的新方法。以较少的工序和时间来制备复合涂层，节约资源，使材料设计更加灵活。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种铝合金表面防腐涂层的制备方法，包括如下步骤：在真空环境下，在520℃±5℃下加热装有Mg块和铝合金的容器，并使Mg块蒸发形成Mg蒸气，蒸镀到铝合金表面形成金属间化合物，随后将铝合金进行氧化，生成Mg-Al-O氧化物涂层覆盖在Mg-Al金属间化合物层上。
进一步的，具体步骤如下：
(1)将铝合金加工成片状，对其进行表面预处理，并用酒精和丙酮进行超声清洗；
(2)将步骤(1)处理过的铝合金放入石英管内，然后将石英管中部烧凹陷，使石英管分隔成两个相互连通的容腔，再放入称好的Mg块，使Mg块与铝合金分置在所述的两个容腔内，然后封口抽真空；
(3)设置箱式炉温度为520℃±5℃，将步骤(2)中封口后的石英管放入其中，并保证镁块在上，铝合金在下，蒸镀5-10h，得到形成在铝合金表面的Mg-Al金属间化合物层；
(4)将步骤(3)蒸镀后的铝合金放入温度为300℃±10℃的箱式炉中，保温0.5h±10min后取出，就可以得到Mg-Al-O氧化物涂层，且Mg-Al-O氧化物涂层覆盖在所述Mg-Al金属间化合物层上。
本发明将铝合金和Mg块置于同一温度，在铝合金不熔化变形的前提下，使Mg块蒸发成Mg蒸汽并蒸镀到铝合金表面，较之传统真空蒸镀，其优点在于，不用进行繁琐的操作，成本较低，耗时短，蒸镀后的氧化处理涂层仅需要将铝合金置于箱式炉内既可完成。
附图说明
图1为实施例1至3中真空密封后石英管示意图，图中标记为：1.镁块，2.凹陷，3.石英管，4.铝块
图2为实施例1中铝合金在520℃下蒸镀5h后的表面及截面扫描电镜图，其中(a)为表面，(b)为截面。
图3为实施例2中铝合金在520℃下蒸镀10h后的表面及截面扫描电镜图，其中(a)为表面，(b)为截面。
图4对比实施例1中为铝合金在520℃下蒸镀15h后的表面及截面扫描电镜图，其中(a)为表面，(b)为截面。
图5为实施例2和对比实施例1中蒸镀后样品氧化后的表面，(a)预先蒸镀10h，(b)预先蒸镀15h。
图6为实施例1和对比实施例2中蒸镀后铝合金表面的Mg-Al金属间化合物层的均匀性对比，其中图6(a)为实施例1中蒸镀后铝合金表面的Mg-Al金属间化合物层的均匀性表征，图6(b)为对比实施例2中蒸镀后铝合金表面的Mg-Al金属间化合物层的均匀性表征。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
实施例1：
一种铝合金表面防腐涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)使用线切割将铝合金切割成1cm×1cm×0.5cm大小的Al片；
(2)将切好的铝合金分别用600号及1000号SiC砂纸打磨并抛光后，先用碱式除油剂除去表面油污，再用85％的H3PO4浸蚀30～40s，去除表面氧化膜，并用蒸馏水清洗后浸泡在无水乙醇中备用，称取2gMg块；
(3)将处理过的Al片放入石英管内，然后抽真空将石英管中部烧凹陷并将石英管分隔成两个相互连通的容腔，石英管冷却后再放入称好的Mg块，使Mg块与Al片分置在两个所述容腔内(即石英管中部不闭合，使Al片和Mg块隔开的同时Mg蒸气可以流通，见图1)，然后封口抽真空(真空度要小于1×10-3MPa)。
(4)将封好的石英管放入箱式炉内，并保证镁块在上，铝合金在下，设置温度为520℃，蒸镀5h，即可在Al片表面形成厚度约1.5um厚的Mg-Al金属间化合物层，如图2所示，涂层在铝合金表面分布并不均匀，所蒸镀的mg主要呈条状分布在铝合金表面上。说明在此实验条件下，无法将镁元素完全蒸发出来，基体表面改变不大。
实施例2：
一种铝合金表面防腐涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)使用线切割将铝合金切割成1cm×1cm×0.5cm大小的Al片；
(2)将切好的铝合金分别用600号及1000号SiC砂纸打磨并抛光后，先用碱式除油剂除去表面油污，再用85％的H3PO4浸蚀30～40s，去除表面氧化膜，并用蒸馏水清洗后浸泡在无水乙醇中备用，称取2gMg块；
(3)将处理过的Al片放入石英管内，然后抽真空将石英管中部烧凹陷并将石英管分隔成两个相互连通的容腔，石英管冷却后再放入Mg块，使Mg块与Al片分置在两个所述容腔内(石英管中部不闭合，使Al片和Mg块隔开的同时Mg蒸气可以流通，见图1)，然后封口抽真空(真空度要小于1×10-3MPa)。
(4)将封好的石英管放入箱式炉内，并保证镁块在上，铝合金在下，设置温度为520℃，蒸镀10h，即可在Al片表面形成约3um厚的Mg-Al金属间化合物层，如图3所示，在铝合金表面已形成较为均匀的涂层，但涂层表明不是很平整，涂层的覆盖率较图2已大幅提高，且涂层厚度也较之图2提高。
(5)将蒸镀好的Al片取出，并放入箱式炉内，设置温度为300℃，保温0.5h，即可在原有的镀层上再生成一层Mg-Al-O氧化物薄膜，如图5(a)所示，可以看出经过氧化后的涂层，表面变得较为平整且更加致密。
对比实施例1：
一种铝合金表面防腐涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)使用线切割将铝合金切割成1cm×1cm×0.5cm大小的Al片；
(2)将切好的铝合金分别用600号及1000号SiC砂纸打磨并抛光后，先用碱式除油剂除去表面油污，再用85％的H3PO4浸蚀30～40s，去除表面氧化膜，并用蒸馏水清洗后浸泡在无水乙醇中备用，称取2gMg块；
(3)将处理过的Al片放入石英管内，然后抽真空将石英管中部烧凹陷并将石英管分隔成两个相互连通的容腔，石英管冷却后再放入Mg块，使Mg块与Al片分置在两个所述容腔内(即石英管中部不闭合，使Al片和Mg块隔开的同时Mg蒸气可以流通，见图1)，然后封口抽真空(真空度要小于1×10-3MPa)；
(4)将封好的石英管放入箱式炉内，并保证镁块在上，铝合金在下，设置温度为520℃，蒸镀15h，即可在表面形成约2um的Mg-Al金属间化合物层，如图4所示，与图3(a)相比，涂层的致密性有所下降，不平整性也较之图3(a)上升。
(5)将蒸镀好的Al片取出，并放入箱式炉内，设置温度为300℃，保温0.5h，即可在原有的镀层上再生成一层Mg-Al-O氧化物薄膜，如图5(b)所示，经过氧化后的涂层，表面变得较为平整且更加致密。
对比实施例2：
以实施例1为基础，其它步骤均匀实施例1相同，不同的是步骤(4)中将封好的石英管放入箱式炉内，并保证镁块在下，铝合金在上。蒸镀后其获得的Mg-Al金属间化合物层如图6(b)所示，其均匀性、致密性均比实施例1获得的Mg-Al金属间化合物层差。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种铝合金表面防腐涂层的制备方法，其特征在于：在真空环境下，在520℃±5℃下加热装有Mg块和铝合金的容器，并使Mg块蒸发形成Mg蒸气，蒸镀到铝合金表面形成金属间化合物，随后将铝合金进行氧化，生成Mg-Al-O氧化物涂层覆盖在Mg-Al金属间化合物层上，氧化温度为300℃±10℃。
2.如权利要求1所述的铝合金表面防腐涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将铝合金加工成铝片，对其进行表面预处理，并用酒精和丙酮进行超声清洗；
（2）将步骤（1）处理过的铝合金放入石英管内，然后将石英管中部烧凹陷，使石英管分隔成两个相互连通的容腔，再放入称好的Mg块，使Mg块与铝合金分置在所述的容腔内，然后封口抽真空；
（3）设置箱式炉温度为520℃±5℃，将步骤（2）中封口后的石英管放入其中，并保证镁块在上，铝合金在下，蒸镀5-10h，得到形成在铝合金表面的Mg-Al金属间化合物层；
（4）将步骤（3）蒸镀后的铝合金放入温度为300℃±10℃的箱式炉中，保温0.5h±10min后取出，就可以得到Mg-Al-O氧化物涂层，且Mg-Al-O氧化物涂层覆盖在所述Mg-Al金属间化合物层上。
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