超声阳极氧化协和涂层技术

成果简介：

1、技术背景

镁合金腐蚀与防护是镁合金应用中的全球性瓶颈问题，如何解决镁合金的腐蚀问题是决定镁合金应用前景的关键问题之一。上海交通大学在专门致力于镁合金腐蚀与防护机理系统和深入研究的基础是，开发出了一种技术先进、性能优异、应用效果良好的“超声氧化协和涂层工艺”。

该技术主要分两步实现高性能保护涂层：首先利用超声阳极氧化方法制备出高硬度、低孔隙率的陶瓷基层；然后采用自主研发的低表面张力封孔涂料和封孔工艺完全渗透封闭氧化膜，最终形成双层互锁的高硬度、高韧性、高耐蚀的协和涂层。

2、超声氧化基本原理

 阳极氧化（Anodizing）是一种电化学氧化工艺，是将需要进行阳极氧化的工件连接直流电源的正端作阳极，另一种不起反应的金属（例如，不锈钢）连接直流电源的负端作阴极浸入电解液中，然后通直流电在作阳极的工件表面形成氧化膜层。通常，当电源所施加的电流或电压大于一定值时，在被阳极氧化的工件上就会产生火花或微电弧，因此，人们又阳极氧化称为微弧氧化。随着该技术的不断发展，现在所用的氧化电流波形不仅有直流，还有交流和脉冲以及它们的叠加。

本技术开发的超声氧化就是在上述传统阳极氧化工艺的基础上，再增加一个作用因素，即再增加一定频率和功率的超声场作用于氧化过程，利用超声波的瞬间高能效应对电解液和氧化膜的震荡作用，从而大幅度提高氧化膜的致密性和生长效率。

3. 镁合金超声氧化技术的特点

① 镁合金氧化时“火花”可控制

与传统的镁合金阳极氧化工艺不同，本中心的镁合金超声氧化在一定配方的电解液里和一定的电参数下，即使氧化电压高达400V而在镁合金工件表面也不产生火花放电，氧化膜层厚度可达到5～45μm;

无火化超声氧化工艺可以最大限度地提高氧化膜层的致密度，从而避免因强烈火花放电降低基体镁合金的疲劳强度。有火花氧化工艺则可以增加氧化膜的孔径和孔隙数目，有利于后期着色。客户能够根据产品疲劳强度、涂装层粘结强、装饰性等技术要求，选择无火花（without spark）氧化工艺和有火花（with spark）氧化工艺。

② 氧化膜层生长速度更快，膜层均匀更致密，棱遍棱角无烧损（图2）

③ 氧化电解液可处理不同合金牌号的镁合金铸件、型材 ；溶液不含六价铬Cr6+）离子，无毒害、稳定、环保、低成本

④ 氧化膜层致密、附着力好，横截面显微硬度最高可达700HV；涂层厚度5～40μm可控制；

4 . 镁合金氧化膜封孔--协和涂层

由于镁合金表面氧化层存在孔隙且装饰效果不理想，因此，它通常作为后续涂装层的底层或者中间层使用，而不作为镁合金产品的最终表面层使用。采用通常的封孔方法和涂装方法处理时，封孔材料或者涂装材料很难完全进入镁合金氧化层的孔隙之中。

本技术采用特殊的材料和工艺，在一定的工艺条件下可使封孔材料或者涂装材料完全进入镁合金氧化膜层的孔隙之中，从而使封孔材料或者涂装材料与氧化膜层产生“协同效应”，其作用效果远远好于氧化膜层和封孔材料或者涂装材料的简单加和，耐腐蚀、耐磨性能和与基体的附着力等性能指标得到大幅度提高，从而形成“镁合金协和涂层”。

超声氧化协和涂层的特性：

（1）工艺成本低、涂层性能优异，所制备的膜层不影响镁合金基体的疲劳性能，膜层光滑、致密均匀、附着力和耐腐蚀性能等膜层关键性能指标在国内处于领先地位。经国家认证的检测结构检测的5%NaCl中性盐雾的耐腐蚀性能1500小时达到9级。

（2）可以处理各种铸造、挤压、锻造方法生产的各种形状的镁合金产品；

（3）还可推广使用于铝合金，尤其是高硅铝合金，的硬质氧化。

5.工程化能力-装备与技术

自行开发了本技术所需的多功能电源，具有如下特点：

1.  PLC 编程、微机智能控制；

2.  可以输出稳流、稳压；单向脉冲；正负脉冲；线形升压五种功能。其中，脉冲输出时，  频率范围为：50Hz-5000Hz；占空比范围为：5%-100%，可以数字输入设置。

3． 适用于（镁、铝、钛）三种轻质合金材料的表面氧化处理；尤其适用于大型镁合金铸件、挤压件和锻件的表面氧化处理

4. 该多功能电源系统设备经历了从小功率到大功率（15KVA→60KVA→300KVA）的不断检验和完善。走过了从实验室→中试生产→大批量生产的艰难成长历程；该多功能电源系统的冷却系统和过载保护完善，运行稳定可靠，可控性强。

5．既可适用于科学研究单位的研究和单件生产之用，也可以配合半自动化流水线进行大批量生产。

已建立400KVA表面处理工程示范线，电解槽达到2.5mx1m，进行企业化管理，拥有质量保证体系，产品处理能力达到6m2/h。

6、技术水平与应用情况

本技术处于国际先进、国内领先的水平，本技术已在以下重要用户单位应用：

（1） 上海航天设备制造总厂；（2）上海航天802所；（3）上海航天技术研究院800所；（4）中国空间技术研究院508所；  （5）上海卫星工程研究所509所； （6）上海航天技术研究院第八设计部；（7）上海复合材料科技有限公司；（8）美国独资邦林机械制造（上海）有限公司。