專利名稱：一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金基體上涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
高超聲速飛行器在飛行過程中，飛行器周圍的空氣因受劇烈壓縮而出現(xiàn)極其嚴重 的氣動加熱現(xiàn)象，如果沒有可靠的熱防護措施，飛行器的推進系統(tǒng)連同其他子系統(tǒng)，如航電 系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等將暴露在高溫下，使飛行器內(nèi)部器件損壞。鈦合金由于其比重小、強度高 和耐高溫的特點而越來越多的被作為外蒙皮應(yīng)用于高超聲速飛行器上。但鈦合金表面發(fā)射 率低，飛行器高速飛行時產(chǎn)生的熱量易向飛行器內(nèi)部傳遞，使飛行器內(nèi)部的電子器件受損， 所以需要在鈦合金表面制備一層高發(fā)射率涂層，現(xiàn)有的高發(fā)射率涂層主要有三類一是通 過電化學(xué)方法在基體表面沉積的陽極氧化物涂層；二是將高發(fā)射率氧化物粉末分散于膠黏 劑中后涂覆到基體表面；三是用溶膠凝膠法直接涂覆后再經(jīng)熱處理制備高發(fā)射率涂層。上 述方法制備的涂層與基體的結(jié)合差，其剪切強度《10MPa，飛行器在高速飛行時，由于氣動 沖擊，涂層容易脫落，同時由于氣動加熱，使表面溫度升高，用膠黏劑涂覆方法制備的涂層 在50(TC以上的溫度使用時，涂層中的有機物分解導(dǎo)致涂層脫落。隨著現(xiàn)代飛行器飛行速度 的不斷增加，氣動加熱愈加嚴重，這三種方法制備的涂層使用的局限性越來越明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的是為了解決現(xiàn)有鈦合金表面高發(fā)射率涂層的結(jié)合力低、熱震性能差的問 題，而提供一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法。 本發(fā)明的一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法按以下步驟進行
一、將鈦合金的表面用2000號砂紙打磨去掉表面的氧化層，然后放入丙酮中超聲清洗
3min 10min ;二、電解液由主鹽、分散劑、添加劑和水配成，主鹽濃度為5g/L 50g/L，分
散劑濃度為4g/L 40g/L，添加劑濃度為2g/L 20g/L ;三、將經(jīng)步驟一處理的鈦合金置
于裝有經(jīng)步驟二配制的膠體電解液的不銹鋼槽體中，以鈦合金做陽極、不銹鋼槽體為陰極，
采用脈沖微弧氧化電源供電，在脈沖電壓為350V 600V、頻率為50Hz 3000Hz、占空比為
10% 45%、電解液溫度為20°C 40。C的條件下微弧氧化10min 90min，即可在鈦合金
基體上制備耐高溫高發(fā)射率涂層；其中步驟二中所述的主鹽為磷酸三鈉、硅酸鈉和偏鋁酸 鈉中的一種或其中幾種的組合；步驟二中所述的添加劑為氧化鐵粉末、氧化鎳粉末、氧化銅
粉末、氧化鈷粉末、氧化鉻粉末、碳化硅粉末和氮化硼粉末中的一種或其中幾種的組合；步 驟二中所述的分散劑為EDTA 二鈉、壬基酚聚氧乙烯醚NP-5、壬基酚聚氧乙烯醚NP-9和辛基 酚聚氧乙烯醚0P-10中的一種或其中幾種的組合。
所述的鈦合金為TC4或TA15 ; 利用微弧氧化技術(shù)使鈦合金表面上的氧化層處于微等離子體的高溫高壓的作用 下而發(fā)生相和結(jié)構(gòu)的變化，制備的涂層是原位生長的，與基底是冶金結(jié)合，與基體具有良好 的結(jié)合力，且具有良好的韌性、耐腐蝕、耐磨特性及良好的絕緣性，而且微弧放電區(qū)瞬間高溫高壓過程對基體未氧化的區(qū)域沒有影響，涂層顏色、相組成、厚度、力學(xué)性能通過工藝參 數(shù)(電參數(shù)、電解質(zhì)等)的調(diào)節(jié)在較寬的范圍內(nèi)可控，設(shè)備簡單、操作方便，經(jīng)濟高效，生產(chǎn) 過程中無需氣氛保護或真空條件，制備過程無環(huán)境污染性廢液及廢氣的排放是一種綠色環(huán) 保型制備方法。本發(fā)明利用微弧氧化法制備氧化涂層的方法是通過電解液與相應(yīng)電參數(shù) 的組合，在合金表面依靠弧光放電產(chǎn)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，本發(fā)明通過將具有高發(fā)射率性質(zhì)的粉體物質(zhì)分散在電解液中，使其在放電 過程中直接摻雜進入到膜層中，從而實現(xiàn)向膜層中直接引入不能由微弧氧化過程直接生成 的高發(fā)射率物質(zhì)，在保持微弧氧化方法制備的涂層與基體具有了良好結(jié)合力的特性同時， 達到強化涂層耐高溫性和發(fā)射率的目的。本發(fā)明方法得到的氧化物涂層厚度為5 ii m 50 ii m，粗糙度Ra為2iim 4iim ;涂層原位生長，與基體結(jié)合良好，其拉伸強度^ 30MPa， 剪切強度為15MPa 25MPa ;涂層熱震性能好，在測試條件為70(TC到室溫的熱震實驗中循 環(huán)100次，涂層不脫落；在測試條件為700°C時，紅外波長為3 i！ m 8 i！ m時涂層的發(fā)射率 為0. 6 0. 9，紅外波長為8 ii m 20 ii m時涂層的發(fā)射率為0. 8 1. 0 ;涂層的耐高溫性能 好，在測試條件為70(TC的條件下放置100小時后，涂層不脫落。


圖1是具體實施方式
十九制備的涂層的X射線衍射圖；圖2是具體實施方式
十九 制備的涂層的掃描電鏡圖；圖3是具體實施方式
十九制備的涂層的電子能譜分析圖；圖4 是具體實施方式
十九制備的涂層的發(fā)射率譜圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 本實施方式的鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法按 以下步驟進行一、將鈦合金的表面用2000號砂紙打磨去掉表面的氧化層，然后放入丙酮 中超聲清洗3min 10min ;二、電解液由主鹽、分散劑、添加劑和水配成，主鹽濃度為5g/ L 50g/L，分散劑濃度為4g/L 40g/L，添加劑濃度為2g/L 20g/L ;三、將經(jīng)步驟一處 理的鈦合金置于裝有經(jīng)步驟二配制的膠體電解液的不銹鋼槽體中，以鈦合金做陽極、不銹 鋼槽體為陰極，采用脈沖微弧氧化電源供電，在脈沖電壓為350V 600V、頻率為50Hz 3000Hz、占空比為10% 45%、電解液溫度為20°C 40。C的條件下微弧氧化10min 90min，即可在鈦合金基體上制備耐高溫高發(fā)射率涂層；其中步驟二中所述的主鹽為磷酸三 鈉、硅酸鈉和偏鋁酸鈉中的一種或其中幾種的組合；步驟二中所述的添加劑為氧化鐵粉末、 氧化鎳粉末、氧化銅粉末、氧化鈷粉末、氧化鉻粉末、碳化硅粉末和氮化硼粉末中的一種或 其中幾種的組合；步驟二中所述的分散劑為EDTA二鈉、壬基酚聚氧乙烯醚NP-5、壬基酚聚 氧乙烯醚NP-9和辛基酚聚氧乙烯醚0P-10中的一種或其中幾種的組合。
本實施方式的主鹽為組合物時，各種主鹽按任意比例混合；分散劑為組合物時，各
種分散劑按任意比例混合；添加劑為組合物時，各種添加劑按任意比例混合。本實施方式中的EDTA 二鈉、壬基酚聚氧乙烯醚NP-5 、壬基酚聚氧乙烯醚NP-9和辛
基酚聚氧乙烯醚0P-10是市售商品。 本實施方式的添加劑以粉體形式加入到溶液中，得到電解液，微弧氧化后所得的 氧化物涂層厚度為5 ii m 50 ii m，粗糙度Ra為2iim 4iim ;涂層與基體結(jié)合良好，拉伸強度> 30MPa，剪切強度為15MPa 25MPa ;涂層熱震性能好，在測試條件為70(TC到室溫的熱 震實驗中循環(huán)100次，涂層不脫落；在測試條件為700°C時，紅外波長為3 i！ m 8 i！ m時涂 層的發(fā)射率為0. 6 0. 9，紅外波長為8 ii m 20 ii m時涂層的發(fā)射率為0. 8 1. 0 ;涂層的 耐高溫性能好，在測試條件為70(TC的條件下放置100小時后，涂層不脫落。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中所述的鈦合 金為TC4或TA15。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟二所述的添 加劑的細度為20nm 40nm的粉末。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三不同的是步驟二中所述的 添加劑為細度為30nm粉末。其它與具體實施方式
一至三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四不同的是步驟一中鈦合金 在丙酮中超聲清洗4min 8min。其它與具體實施方式
一至四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五不同的是步驟一中鈦合金 在丙酮中超聲清洗5min。其它與具體實施方式
一至五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六不同的是步驟二中所述的 主鹽的濃度為10g/L 45g/L、添加劑的濃度為5g/L 15g/L。其它與具體實施方式
一至 六相同。 具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七不同的是步驟二中所述的 主鹽的濃度為25g/L、添加劑的濃度為10g/L。其它與具體實施方式
一至七相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八不同的是步驟三中所述的 脈沖電壓為380V 550V。其它與具體實施方式
一至八相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至九不同的是步驟三中所述的 脈沖電壓為450V。其它與具體實施方式
一至九相同。
具體實施方式
i^一 本實施方式與具體實施方式
一至十不同的是步驟三中所述 的頻率為100Hz 2500Hz。其它與具體實施方式
一至十相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一至i^一不同的是步驟三中所 述的頻率為1000Hz。其它與具體實施方式
一至i^一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一至十二不同的是步驟三中所 述的占空比為15% 40%。其它與具體實施方式
一至十二相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
一至十三不同的是步驟三中所 述的占空比為30%。其它與具體實施方式
一至十三相同。 具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
一至十四不同的是步驟三中所 述的膠體電解液溫度為25°C 35°C。其它與具體實施方式
一至十四相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
一至十五不同的是步驟三中所 述的膠體電解液溫度為30°C。其它與具體實施方式
一至十五相同。 具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
一至十六不同的是步驟三中所 述的微弧氧化時間為20min 80min。其它與具體實施方式
一至十六相同。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施方式
一至十七不同的是步驟三中所 述的微弧氧化時間為50min。其它與具體實施方式
一至十七相同。
具體實施方式
十九(參見附圖1、圖2、圖3和圖4)本實施方式的鈦合金基體上 高發(fā)射率涂層的制備方法按以下步驟進行一、將鈦合金TA15的表面用2000號砂紙打磨去 除表面的氧化層，然后放入丙酮中超聲清洗5min ;二、膠體電解液由磷酸三鈉、辛基酚聚氧 乙烯醚0P-10、碳化硅粉末和水配成，磷酸三鈉濃度為12g/L，辛基酚聚氧乙烯醚0P-10濃度 為10g/L，碳化硅粉末濃度為5g/L ;三、將經(jīng)步驟一處理的鈦合金置于裝有經(jīng)步驟二配制的 膠體電解液的不銹鋼槽體中，以鈦合金做陽極、不銹鋼槽體為陰極，采用脈沖微弧氧化電源 供電，在脈沖電壓為450V、頻率為1000Hz、占空比為20%、電解液溫度為3(TC的條件下氧化 60min，即可在鈦合金基體上制備耐高溫高發(fā)射率涂層。 本實施方式制備的在鈦合金基體上的耐高溫高發(fā)射率涂層的X射線衍射圖如圖1 所示，從圖1中可以看出，膜層的主晶相為金紅石的1102結(jié)構(gòu)，并有部分非晶相存在。
本實施方式制備的在鈦合金基體上的耐高溫高發(fā)射率涂層的掃描電鏡照片如圖2 所示，其中圖2中線框內(nèi)區(qū)域的能譜分析如圖3所示，在圖2中可以看出，本實施方式制備 的涂層表面分布著微米級的微孔，涂層的這種結(jié)構(gòu)可以有效降低熱量的傳遞速度，阻止熱 量通過涂層向基體傳遞；由圖3的元素分析結(jié)果表明，涂層中主要含有Ti、Al、P、0、Si、C幾 種元素，其中Ti和Al元素來自于基體，P、 0、 Si和C來自于電解液，可以看出電解液中的 SiC粉被成功引入膜層中，對提高膜層的發(fā)射率起著決定性作用。 本實施方式制備的在鈦合金基體上的耐高溫高發(fā)射率涂層在測試溫度條件為 700°C ，紅外波長為3 ii m 20 ii m時的發(fā)射率測試結(jié)果如圖4所示，從圖4可以看出本實施 方式制備的涂層的發(fā)射率為0. 8 1. 0。 本實施方式得到的氧化物涂層厚度為50 ii m，粗糙度Ra為1. 5 y m ;涂層與基體結(jié) 合良好，拉伸強度為56MPa，剪切強度為21MPa ;涂層熱震性能好，在測試條件為70(TC到室 溫的熱震實驗中循環(huán)100次，涂層不脫落；在測試溫度為70(TC的條件下放置100小時后， 涂層不脫落。本實施方式制備的鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的發(fā)射率能夠滿足高超 聲速飛行器的外蒙皮對涂層的要求，而且涂層的結(jié)合力高、受到氣動加熱作用時涂層不易 脫落或分解，可以應(yīng)用于高超聲速飛行器上。
權(quán)利要求
一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法，其特征在于鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法按以下步驟進行一、將鈦合金的表面用2000號砂紙打磨去掉表面的氧化層，然后放入丙酮中超聲清洗3min～10min；二、電解液由主鹽、分散劑、添加劑和水配成，主鹽濃度為5g/L～50g/L，分散劑濃度為4g/L～40g/L，添加劑濃度為2g/L～20g/L；三、將經(jīng)步驟一處理的鈦合金置于裝有經(jīng)步驟二配制的膠體電解液的不銹鋼槽體中，以鈦合金做陽極、不銹鋼槽體為陰極，采用脈沖微弧氧化電源供電，在脈沖電壓為350V～600V、頻率為50Hz～3000Hz、占空比為10％～45％、電解液溫度為20℃～40℃的條件下微弧氧化10min～90min，即可在鈦合金基體上制備耐高溫高發(fā)射率涂層；其中步驟二中所述的主鹽為磷酸三鈉、硅酸鈉和偏鋁酸鈉中的一種或其中幾種的組合；步驟二中所述的添加劑為氧化鐵粉末、氧化鎳粉末、氧化銅粉末、氧化鈷粉末、氧化鉻粉末、碳化硅粉末和氮化硼粉末中的一種或其中幾種的組合；步驟二中所述的分散劑為EDTA二鈉、壬基酚聚氧乙烯醚NP-5、壬基酚聚氧乙烯醚NP-9和辛基酚聚氧乙烯醚OP-10中的一種或其中幾種的組合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法，其特征 在于步驟一中所述的鈦合金為TC4或TA15。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法，其 特征在于步驟一中鈦合金在丙酮中超聲清洗4min 8min。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法，其特征 在于步驟二中所述的主鹽的濃度為10g/L 45g/L，分散劑濃度為10g/L 30g/L，添加劑 的濃度為5g/L 15g/L。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法， 其特征在于步驟二中所述的主鹽的濃度為25g/L、添加劑的濃度為10g/L。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法，其特征 在于步驟三中所述的脈沖電壓為380V 550V。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或6所述的一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方 法，其特征在于步驟三中所述的頻率為100Hz 2500Hz。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法，其特征 在于步驟三中所述的占空比為15% 40%。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、6或8所述的一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方 法，其特征在于步驟三中所述的微弧氧化時間為20min 80min。
全文摘要
一種鈦合金基體上耐高溫高發(fā)射率涂層的制備方法，它涉及鈦合金基體上涂層的制備方法，解決現(xiàn)有鈦合金表面高發(fā)射率涂層結(jié)合力低、熱震性能差的問題。方法如下一、將鈦合金打磨、清洗；二、將主鹽、分散劑和添加劑配成膠體電解液；三、將鈦合金置于裝有電解液的不銹鋼槽體中，以鈦合金做陽極、槽體為陰極，在脈沖微弧氧化電源的作用下，在鈦合金基體上制得耐高溫高發(fā)射率涂層。本發(fā)明制得的涂層在700℃條件下的發(fā)射率為0.8～1.0，涂層與基體結(jié)合力好，其拉伸強度≥30MPa，剪切強度為15MPa～25MPa，在測試條件為700℃到室溫的熱震循環(huán)100次涂層不脫落，可以應(yīng)用于高超聲速飛行器的外蒙皮的熱防護層。
文檔編號C25D11/02GK101748465SQ200910312880
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者唐輝, 姚忠平, 姜兆華, 孫秋, 王福平, 辛鐵柱 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)