專利名稱：一種在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法
技術領域：
本發明涉及在樹脂基復合材料上面制備陶瓷涂層的方法，特別是一種利用結合微弧氧化與等離子噴涂結合的工藝在樹脂基體上面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法。
背景技術：
等離子噴涂是采用剛性非轉移型等離子弧作為熱源，粉末材料為主的熱噴涂方法。送粉氣流輸送粉末噴涂材料進入等離子弧，并被迅速加熱至熔融或半熔融狀態，隨等離子流高速撞擊經預處理的基材表面，并在基材表面形成牢固的覆蓋層——噴涂層。從而使零件被噴涂表面獲得不同的硬度、耐磨、耐熱、耐腐蝕、絕緣、隔熱、潤滑等各種特殊物理化學性能，以滿足零件不同的工作條件要求。微弧氧化(Microarcoxidation, ΜΑΟ)又稱微等離子體氧化(Microplasma oxidation, ΜΡ0)，是通過電解液與相應電參數的組合，在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠弧光放電產生的瞬時高溫高壓作用，生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層。樹脂基復合材料由于具有良好的比強度和比剛度而被廣泛應用，但由于其硬度不高，因此耐磨性能較差，在某些工作環境中常常會因為磨損而失效。氧化鋁具有較高的硬度，氧化鋁涂層具有良好的耐磨，耐熱性能。現有的提高數脂基材料表面硬度的方法是將陶瓷材料固化在樹脂材料表面，但這種方法制備的涂層是樹脂和陶瓷的混合體，不是百分之百的陶瓷，因此耐磨性能相對于純陶瓷會下降。盡管只應用等離子噴涂的方法并充分冷卻樹脂基體也可以在盡量小的熱損傷下制備氧化鋁涂層，但熱損傷始終不能避免。
發明內容
本發明利用結合微弧氧化與等離子噴涂結合的工藝在樹脂基復合材料表面制備氧化鋁防護涂層，以達到提高樹脂基復合材料使用性能的目的。所述目的是通過如下方案實現的
一種在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，依次包括以下步驟
a.在固化樹脂基復合材料之前，將鋁粉均勻地撒在待固化材料的最外層，放入模具后進行固化；
b.將固化后的樹脂基復合材料裁剪成需要的大小，用噴砂機在其表面進行噴砂處理， 使其表面粗糙度為I a=5-10Mm ；
c.在噴砂后的樹脂基復合材料表面進行等離子噴涂，制備均勻的Al過渡層，控制Al 過渡層的厚度為50 100微米；
d.以噴涂上的Al層為基體，在含有3g/L的硅酸鈉，lg/L氫氧化鉀溶液中微弧氧化，使 Al氧化形成氧化鋁陶瓷涂層。制備氧化鋁陶瓷涂層時微弧氧化的電參數為采用直流電源，頻率400Hz，有效周期為80%，電流密度控制在0. 25-0. 5A/cm2,電壓400-500V，根據需要獲得涂層的厚度，氧化時間為30-60min。
所述Al過渡層以Al粉為原料，粉末粒度為20 40微米。制備Al過渡層時控制噴槍的參數為噴涂的電流強度180-210A，電壓50-60V，主氣體流量900-1000L/h，次氣體流量100-150L/h，送粉氣體壓力0. 02MPa,噴涂距離為170 190mmo噴涂Al過渡層，使用等離子噴涂輔助系統進行；所述等離子噴涂輔助系統的結構為包括用于固定工件的轉盤及置于轉盤一側的用于固定噴槍的噴槍支架，所述噴槍支架固定在絲杠螺母機構的螺母上，并由絲杠螺母機構帶動滑動，所述絲杠螺母機構的絲杠與轉盤面平行布置；所述轉盤與直流電機連接并通過直流電機控制旋轉速度及旋轉方向。所述轉盤上設置若干個通孔。由滑塊和滑道代替絲杠螺母機構，S卩，所述噴槍支架固定在滑塊上，滑塊可沿導軌做平行于轉盤面的直線運動。等離子噴涂輔助系統還包括回轉控制桿和行程開關，所述回轉控制桿為兩個且分別固定在轉盤不同位置的通孔內；所述回轉控制桿通過轉盤的旋轉可與行程開關碰觸；所述行程開關連接正反轉控制電路，正反轉控制電路連接直流電機的輸入電源。假定滑塊或螺母的運動方向為坐標軸的X向，則噴槍支架還具有可實現坐標軸Y 向、Z向運動的結構。本發明具有以下優點1、相對于單純用等離子噴涂方法制備，此方法可以有效降低制備涂層過程中對樹脂集體得熱損傷，從而提高了涂層的結合強度(6. 09MPa);2、 以Al為原料，成本低廉；3、本發明所述方法對基體表面形狀要求低，理論上可以在任意形狀的樹脂基復合材料表面制備氧化鋁涂層；4、涂層制備速度快，生產效率高；5、本發明通過等離子噴涂方法制備的涂層完全是氧化鋁陶瓷構成，制成的涂層具有良好的表面硬度 (12. 76GPa) 6、設備操作簡單，維護保養方便。
圖1是本發明的結構示意圖。其中，1 一轉盤；2—噴槍支架；3—等離子噴槍；4一通孔；5—回轉控制桿；6—行程開關；7—絲杠螺母機構的螺母；8—絲杠螺母機構的絲杠；9一Z向滑塊；10—Z向滑道； 11—Y向滑道；12 — Y向滑塊。
具體實施例方式下面結合附圖詳細闡述本發明優選的實施方式。本發明提到的樹脂基復合材料，尤指能夠耐200°C以上溫度的樹脂復合材料，比如環氧樹脂基復合材料、不飽和聚脂基復合材料、酚醛樹脂基復合材料等等。本發明的具體操作步驟如下1、在固化樹脂基復合材料時，將鋁粉均勻的撒在固化材料的最外層使鋁粉剛好完全覆蓋樹脂基體表面即可，放入模具后進行固化，這些鋁粉可以起到與等離子噴涂的Al涂層結合的作用，從而整體上提高涂層的結合性能，經測試，固化時加了鋁粉后涂層的結合性能提高了 21% ;2、將樹脂基復合材料裁剪成需要的大小，用噴砂機在其表面進行噴砂處理，使其表面具有一定的粗糙度，粗糙度可控制在 Ra=5-10Mffl,以保證之后的等離子噴涂制備涂層的結合強度；3、將噴砂處理后的樹脂基復合材料放在等離子噴涂輔助系統(后面闡述)的轉盤上，進行等離子噴涂，制備均勻的Al過渡層，通常制備50微米厚的Al過渡層需要轉盤以如/r的速度往返兩次，使用蘇爾壽美科3MB 等離子噴涂槍進行噴涂時控制的參數為電流強度控制在210A，電壓為50V，主氣體流量為 900L/h，次氣體流量為100L/h，送粉氣體壓力為0. 02MPa，噴涂距離為170mm。使用蘇爾壽美科F4MB-XL等離子噴涂槍進行噴涂制備20微米厚的氧化鋁涂層時控制噴槍的參數為噴涂的電流強度為300A，電壓為65V，主氣體流量為1000L/h，次氣體流量為200L/h，送粉氣體壓力為0.02MPa，噴涂距離為170mm。噴涂過程中要注意及時冷卻，盡量避免長時間連續噴涂；4、以所噴涂的Al層為基體，在微弧氧化的電解液(3g/L硅酸納，lg/L氫氧化鈉，共三升溶液)中進行微弧氧化操作，要制備10微米厚的氧化鋁涂層，需要氧化30分鐘；要制備10 微米厚的氧化鋁涂層，需要氧化60分鐘。使用迪斯數控DSM120DU電源進行微弧氧化的具體操作參數為電壓緩慢上升至400-500 V (電壓越大，涂層形成的越快，但相對粗糙)。電流密度控制在0. 25-0. 5A/cm2,脈沖頻率為400Hz，脈沖有效區間為80%。此設備為一般性之流電源，具有普遍性。本發明噴涂Al過渡層使用等離子噴涂輔助系統進行，它的結構如圖1所示，包括轉盤1及置于轉盤一側的噴槍支架2，轉盤1的作用于在于固定待噴涂工件，噴槍支架2的作用在于固定等離子噴槍3;
轉盤1上設置若干個通孔4，其作用有三一是用于固定工件，可以用夾子將工件夾在通孔上，當然也可以將工件直接粘貼在轉盤1的表面；二是用于散熱，由于等離子噴涂過程中噴槍會放出大量的熱，所以圓盤通孔可以避免載物盤過熱損壞；三是用于減壓，噴涂時等離子噴槍會噴射出噴涂材料和氣體，工件表面及轉盤局部會承受巨大壓力，所以為了避免轉盤受到損壞，在轉盤表面設置通孔，可有效卸掉噴涂時的氣流壓力。轉盤上設置回轉控制桿5，回轉控制桿5為兩個且分別固定在轉盤不同位置的通孔內，兩個回轉控制桿5的位置根據待噴涂工件的大小進行確定，當待噴涂工件表面積較大時，兩個回轉控制桿的相對距離也較大，反之亦然。在回轉控制桿隨轉盤旋轉時可碰觸到的范圍內設置行程開關6，行程開關6連接正反轉控制電路，正反轉控制電路連接直流電機的輸入電源，這樣當回轉控制桿5碰觸行程開關6時，電機控制轉盤反轉，下一個回轉控制桿再碰到行程開關時，電機又控制轉盤轉回，這樣使轉盤在小范圍內往復旋轉，以提高噴涂效率，同地節約噴涂用材料；另外，轉盤的旋轉速度根據直流電機電流的大小進行調節。等離子噴槍3固定在噴槍支架上，噴槍支架固定在絲杠螺母機構的螺母7上，并由絲杠螺母機構帶動噴槍3移動，由于絲杠螺母機構的絲杠8與轉盤面平行布置，這樣，螺母帶動噴槍做直線移動時，噴槍與轉盤之間的距離是不改變的，于是保證了噴涂距離。假定絲杠帶動螺母運動的方向(即絲杠8的設置方向)為坐標軸的X向(以下稱該絲杠為X向絲杠，該螺母為X向螺母)，則噴槍支架還具有可實現坐標軸Y向、Z向運動的結構。具體地，噴槍支架包括Z向滑塊9和Y向滑塊12，噴槍固定在Z向滑塊9上，Z向滑塊 9設置在Z向滑道10上，因此噴槍可隨Z向滑塊9沿Z向滑道10做豎直方向的滑動；Z向滑道10與Y向滑塊12固定連接，Y向滑塊12置于Y向滑道11上并可沿Y向滑道11進行水平方向滑動，因此噴槍可隨Y向滑塊12做水平方向的運動。由于Y向滑道11與X向絲杠在水平面內垂直，且使Y向滑道11固定在X向螺母上，因此，噴槍在X向螺母、Y向滑塊 12及Z向滑塊9帶動下可實現X、Y、Z三個方向的運動。
在進行等離子噴涂時，將準備噴涂的工件裝載到轉盤上面，確定轉盤轉動速度及轉動范圍，同時調整各方向滑塊確定噴槍的停留位置，啟動系統即可獲得理想的涂層。另外，前面所述絲杠螺母機構也可以由滑塊和滑道代替，S卩，所述噴槍支架固定在滑塊上，滑塊可沿導軌做平行于轉盤面的直線運動。同樣可以實現本發明的目的。另外，所述絲杠螺母機構還可以由其它能實現平面移動的移動副代替，都在本發明的保護范圍之內。制備涂層后，涂層的結合強度上升到6. 09GPa,并且通過微觀組織形貌觀察，基本消除了制備涂層過程中對樹脂基體產生的熱損傷；試樣表面硬度由0. 12GI^上升到 12. 76GPa，有效提高的樹脂基復合材料表面硬度，從而提高材料的耐磨性能。本發明結合了微弧氧化方法后，氧化鋁的形成是在溶液中進行，因此除去噴涂鋁帶來的熱損傷，氧化鋁涂層的形成完全避免了給樹脂帶來熱損傷的風險，從而有效提高了涂層的性能。本實施方式只是對本專利的示例性說明而并不限定它的保護范圍，本領域人員還可以對其進行局部改變，只要沒有超出本專利的精神實質，都視為對本專利的等同替換，都在本專利的保護范圍之內。
權利要求
1.一種在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，其特征在于依次包括以下步驟a.在固化樹脂基復合材料之前，將鋁粉均勻地撒在待固化材料的最外層，放入模具后進行固化；b.將固化后的樹脂基復合材料裁剪成需要的大小，用噴砂機在其表面進行噴砂處理， 使其表面粗糙度為I a=5-10Mm ；c.在噴砂后的樹脂基復合材料表面進行等離子噴涂，制備均勻的Al過渡層，控制Al 過渡層的厚度為50 100微米；d.以噴涂上的Al層為基體，在含有3g/L的硅酸鈉，lg/L氫氧化鉀溶液中微弧氧化，使 Al氧化形成氧化鋁陶瓷涂層。
2.根據權利要求1所述的在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，其特征在于制備氧化鋁陶瓷涂層時微弧氧化的電參數為采用直流電源，頻率400Hz，有效周期為80%， 電流密度控制在0. 25-0. 5A/cm2,電壓400-500V，根據需要獲得涂層的厚度，氧化時間為 30_60mino
3.根據權利要求1所述的在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，其特征在于所述Al過渡層以Al粉為原料，粉末粒度為20 40微米。
4.根據權利要求3所述的在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，其特征在于制備Al過渡層時控制噴槍的參數為噴涂的電流強度180-210A，電壓50-60V，主氣體流量 900-1000L/h，次氣體流量100-150L/h，送粉氣體壓力0. 02MPa，噴涂距離為170 190mm。
5.根據權利要求1-4任意一項所述的在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，其特征在于噴涂Al過渡層，使用等離子噴涂輔助系統進行；所述等離子噴涂輔助系統的結構為包括用于固定工件的轉盤及置于轉盤一側的用于固定噴槍的噴槍支架，所述噴槍支架固定在絲杠螺母機構的螺母上，并由絲杠螺母機構帶動滑動，所述絲杠螺母機構的絲杠與轉盤面平行布置；所述轉盤與直流電機連接并通過直流電機控制旋轉速度及旋轉方向。
6.根據權利要求5所述的在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，其特征在于所述轉盤上設置若干個通孔。
7.根據權利要求5所述的在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，其特征在于由滑塊和滑道代替絲杠螺母機構，即，所述噴槍支架固定在滑塊上，滑塊可沿導軌做平行于轉盤面的直線運動。
8.根據權利要求5所述的在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，其特征在于等離子噴涂輔助系統還包括回轉控制桿和行程開關，所述回轉控制桿為兩個且分別固定在轉盤不同位置的通孔內；所述回轉控制桿通過轉盤的旋轉可與行程開關碰觸；所述行程開關連接正反轉控制電路，正反轉控制電路連接直流電機的輸入電源。
9.根據權利要求5所述的在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，其特征在于假定滑塊或螺母的運動方向為坐標軸的X向，則噴槍支架還具有可實現坐標軸Y向、Z向運動的結構。
全文摘要
本發明利用結合微弧氧化和等離子噴涂工藝在樹脂基復合材料表面制備氧化鋁防護涂層，以達到提高樹脂基復合材料使用性能的目的。一種在樹脂材料表面制備氧化鋁陶瓷涂層的方法，依次包括以下步驟a．在固化樹脂基復合材料時，將鋁粉均勻的撒在固化材料的最外層，放入模具后進行固化；b．用噴砂機對樹脂基復合材料進行噴砂處理，使其表面粗糙度為Ra=5-10μm；c．等離子噴涂，制備均勻的Al過渡層；d．以噴涂上的Al層為基體，在含有3g/L的硅酸鈉，1g/L氫氧化鉀溶液中微弧氧化，使Al氧化形成氧化鋁陶瓷涂層。本發明成本低廉、涂層制備速度快，生產效率高、設備操作簡單，維護保養方便。
文檔編號C23C28/00GK102409341SQ201110402960
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者孫冠宏, 孫躍, 赫曉東 申請人:哈爾濱工業大學