一种钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的制备方法

摘要

一种钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的制备方法，它涉及一种钛合金TA2表面陶瓷膜层的制备方法。本发明的目的是要解决现有钛合金TA2表面的涂层存在太阳能吸收率低，自身发射率高，膜层与基体的结合力不高的问题。方法：钛合金TA2前处理；二、微弧氧化，得到钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层。本发明制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的厚度为0.3μm～1μm，膜层的粗糙度为0.2μm～0.25μm，太阳吸收率为0.82～0.9，发射率为0.08～0.13。本发明可获得一种钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的制备方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金TA2表面陶瓷膜层的制备方法。

背景技术

工业上常用的工业纯钛是TA2，因其耐蚀性能和综合力学性能适中，强度不高，塑性 好，易于加工成型，冲压、焊接，可切削加工，性能良好；在大气、海水、湿氯气及氧化 性、中性、弱还原性介质中具有良好的腐蚀性，抗氧化性优于大多数奥氏体不锈钢，因此 钛合金TA2在工业以及航天上应用比较广泛。

能源危机让人们注意到太阳能这一清洁能源，但太阳辐射照到地球后的辐射能量密度 较低，这就给大规模利用太阳能带来极大的障碍，所以有必要在将太阳能利用之前，通过 一些方法来提高它的能量密度。具有高吸收率低发射率这一光学性质的涂层对太阳能吸收 率高，而自身的发射率却很低，能够把能量密度较低的太阳能转换成高能量密度的热能， 把太阳能聚集在一起。而且高吸收率低发射率膜层在红外隐身方面也有广泛的应用。因此， 制备性能优良的高太阳能吸收率低发射率的选择性吸收涂层对太阳能利用技术以及红外 隐身有重要意义。

国内外采用陶瓷材料作为选择性吸收涂层的基体材料，并且研究关于金属-陶瓷复合 材料用于选择性吸收涂层，金属主要有Mo、Cr、Ni、Cu、Co、Au、Pt、W等， 陶瓷主要有Al₂O₃、SiO₂和MgO等。研究发现涂层中有多层折射系数不同的吸收层可以 提高太阳辐射吸收率。因此设计多层以上的吸收层，特别是三层以上的吸收层，可以大大 地提高涂层的吸收率。比如，基础层是金属陶瓷复合材料，中间层是Ni/NiO+金属，而最 外层(减反射层)是Al₄N₃/Al₂O₃。现阶段研究的有喷射热解法制备CoO选择性吸收涂层。 还有采用真空镀膜工艺制备的黑铝太阳能选择性吸收涂层。也有用磁控溅射法制备高吸收 低发射膜层。有人制备了一种AlN_xO_y选择性吸收涂层，但仅能在真空环境中使用。但是 多层结构的涂层不仅制备工艺复杂，成本高，不利于工业化生产；而且膜层的增加将会导 致随温度的升高热发射比会急剧上升。

发明内容

本发明的目的是要解决现有钛合金TA2表面的涂层存在太阳能吸收率低，自身发射 率高，膜层与基体的结合力不高的问题，而提供一种钛合金TA2表面高太阳吸收率低发 射率膜层的制备方法。

一种钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的制备方法，是按以下步骤完成的：

一、钛合金TA2前处理：依次使用240目水磨砂纸和1000目的水磨砂纸对钛合金 TA2进行打磨处理，得到去除毛刺和氧化层的钛合金TA2；将去除毛刺和氧化层的钛合 金TA2浸入到HF和HNO₃的混合溶液中3s～10s，得到表面光滑的钛合金TA2；使用NaOH 溶液去除表面光滑的钛合金TA2表面的油，再使用蒸馏水清洗，最后使用电吹风吹干， 得到处理后的钛合金TA2；

步骤一所述的NaOH溶液由NaOH和蒸馏水混合而成，且所述的NaOH的质量与蒸 馏水的体积比为(8g～15g):1L；

步骤一中所述的HF和HNO₃的混合溶液由质量分数为40％氢氟酸和质量分数为65％ 的硝酸混合而成；所述的HF和HNO₃的混合溶液中质量分数为40％氢氟酸与质量分数为 65％的硝酸的体积比为1:1；

二、微弧氧化：将处理后的钛合金TA2置于不锈钢中的电解液中，处理后的钛合金 TA2与电源的正极相连接，作为阳极，不锈钢电解槽与电源的负极相连接，作为阴极；采 用脉冲微弧氧化电源供电，在升压时间为5s～15s、恒电压为300V～500V、电源频率为 50Hz～2000Hz、占空比为10％～45％、电解液的温度为20℃～40℃和电解液的pH值为11～13 的条件下反应1s～10s，得到钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层；

步骤二中所述的电解液由主成膜剂和辅助成膜剂组成，溶剂为水；所述的主成膜剂的 浓度为3g/L～10g/L；辅助成膜剂的浓度为10g/L～20g/L。

本发明的原理：

太阳能光谱能量主要集中在300nm～2500nm的范围，而可见光的波长范围为 400nm～800nm，当太阳光照射到膜层表面上时，入射光进入孔结构，而孔径在500nm左 右，能够束缚住大部分入射光，使反射光强大幅度减少，另外微弧氧化在TA2表面生成 的金属氧化物也能够吸收太阳光谱，所以有高的吸收率；光滑表面的金属的辐射率很低， 通过控制膜层的厚度，在表面多孔的情况下使膜层尽可能的薄有利于红外发射率的降低， 膜层厚度小于1μm，所以得到的发射率低。

本发明的优点：

一、本发明使用微弧氧化技术在钛合金TA2上原位生长多孔的陶瓷膜层，由于是原 位生长的特点，故膜层与基体的结合能力很强，克服膜层粘附不牢这一缺点；

二、本发明使用的微弧氧化技术工艺简单，成本低，容易实现，对制备高太阳能吸收 率低发射率膜层有很重要的意义；

三、本发明采用微弧氧化技术制备涂层，涂层中元素主要来自于基体和溶液中的离子， 且微弧氧化过程在电解液中完成，所以就可以通过调节溶液中的溶质来调节膜层的元素及 相组成，制备功能优异的膜层；

四、本发明制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的厚度为0.3μm～1μm， 膜层的粗糙度为0.2μm～0.25μm，太阳吸收率为0.82～0.9，发射率为0.08～0.13；

五、本发明制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层在温度为500℃条件 下，保温3min，再放入到水中冷却，反复进行热震实验70次，涂层不脱落，表明本发明 所制得的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层具有优良的结合力和热稳定性。

本发明可获得一种钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的制备方法。

附图说明

图1为实施例一制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的SEM图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的 制备方法是按以下步骤完成的：

一、钛合金TA2前处理：依次使用240目水磨砂纸和1000目的水磨砂纸对钛合金 TA2进行打磨处理，得到去除毛刺和氧化层的钛合金TA2；将去除毛刺和氧化层的钛合 金TA2浸入到HF和HNO₃的混合溶液中3s～10s，得到表面光滑的钛合金TA2；使用NaOH 溶液去除表面光滑的钛合金TA2表面的油，再使用蒸馏水清洗，最后使用电吹风吹干， 得到处理后的钛合金TA2；

步骤一所述的NaOH溶液由NaOH和蒸馏水混合而成，且所述的NaOH的质量与蒸 馏水的体积比为(8g～15g):1L；

步骤一中所述的HF和HNO₃的混合溶液由质量分数为40％氢氟酸和质量分数为65％ 的硝酸混合而成；所述的HF和HNO₃的混合溶液中质量分数为40％氢氟酸与质量分数为 65％的硝酸的体积比为1:1；

二、微弧氧化：将处理后的钛合金TA2置于不锈钢中的电解液中，处理后的钛合金 TA2与电源的正极相连接，作为阳极，不锈钢电解槽与电源的负极相连接，作为阴极；采 用脉冲微弧氧化电源供电，在升压时间为5s～15s、恒电压为300V～500V、电源频率为 50Hz～2000Hz、占空比为10％～45％、电解液的温度为20℃～40℃和电解液的pH值为11～13 的条件下反应1s～10s，得到钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层；

步骤二中所述的电解液由主成膜剂和辅助成膜剂组成，溶剂为水；所述的主成膜剂的 浓度为3g/L～10g/L；辅助成膜剂的浓度为10g/L～20g/L。

本实施方式的优点：

一、本实施方式使用微弧氧化技术在钛合金TA2上原位生长多孔的陶瓷膜层，由于 是原位生长的特点，故膜层与基体的结合能力很强，克服膜层粘附不牢这一缺点；

二、本实施方式使用的微弧氧化技术工艺简单，成本低，容易实现，对制备高太阳能 吸收率低发射率膜层有很重要的意义；

三、本实施方式采用微弧氧化技术制备涂层，涂层中元素主要来自于基体和溶液中的 离子，且微弧氧化过程在电解液中完成，所以就可以通过调节溶液中的溶质来调节膜层的 元素及相组成，制备功能优异的膜层；

四、本实施方式制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的厚度为 0.3μm～1μm，膜层的粗糙度为0.2μm～0.25μm，太阳吸收率为0.82～0.9，发射率为0.08～0.13；

五、本实施方式制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层在温度为500℃条 件下，保温3min，再放入到水中冷却，反复进行热震实验70次，涂层不脱落，表明本发 明所制得的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层具有优良的结合力和热稳定性。

本实施方式可获得一种钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的制备方法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤二中所述的主成膜剂 为铝酸钠。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二中辅助成 膜剂为磷酸三钠、次亚磷酸钠、六偏磷酸钠和多聚磷酸中的一种或其中几种的混合液。其 他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中将处理 后的钛合金TA2置于不锈钢中的电解液中，处理后的钛合金TA2与电源的正极相连接， 作为阳极，不锈钢电解槽与电源的负极相连接，作为阴极；采用脉冲微弧氧化电源供电， 在升压时间为5s～10s、恒电压为300V～400V、电源频率为50Hz～1000Hz、占空比为 10％～30％、电解液的温度为20℃～25℃和电解液的pH值为11～12的条件下反应1s～5s， 得到钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中将处理 后的钛合金TA2置于不锈钢中的电解液中，处理后的钛合金TA2与电源的正极相连接， 作为阳极，不锈钢电解槽与电源的负极相连接，作为阴极；采用脉冲微弧氧化电源供电， 在升压时间为10s～15s、恒电压为400V～500V、电源频率为1000Hz～2000Hz、占空比为 10％～30％、电解液的温度为25℃～40℃和电解液的pH值为12～13的条件下反应5s～10s， 得到钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中将处理 后的钛合金TA2置于不锈钢中的电解液中，处理后的钛合金TA2与电源的正极相连接， 作为阳极，不锈钢电解槽与电源的负极相连接，作为阴极；采用脉冲微弧氧化电源供电， 在升压时间为10s、恒电压为400V、电源频率为1000Hz、占空比为30％、电解液的温度 为25℃和电解液的pH值为12的条件下反应5s，得到钛合金TA2表面高太阳吸收率低发 射率膜层。其他步骤与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二中所述的 主成膜剂的浓度为3g/L～5g/L；步骤二中所述的辅助成膜剂的浓度为10g/L～15g/L。其他 步骤与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中所述的 主成膜剂的浓度为5g/L～10g/L；步骤二中所述的辅助成膜剂的浓度为15g/L～20g/L。其他 步骤与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤二中所述的 主成膜剂的浓度为5g/L；步骤二中所述的辅助成膜剂的浓度为10g/L。其他步骤与具体实 施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤一所述的 NaOH溶液由NaOH和蒸馏水混合而成，且所述的NaOH的质量与蒸馏水的体积比为 15g:1L。其他步骤与具体实施方式一至九相同。

采用以下试验验证本发明的有益效果：

实施例一：一种钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的制备方法是按以下步 骤完成的：

一、钛合金TA2前处理：依次使用240目水磨砂纸和1000目的水磨砂纸对钛合金 TA2进行打磨处理，得到去除毛刺和氧化层的钛合金TA2；将去除毛刺和氧化层的钛合 金TA2浸入到HF和HNO₃的混合溶液中5s，得到表面光滑的钛合金TA2；使用NaOH 溶液去除表面光滑的钛合金TA2表面的油，再使用蒸馏水清洗，最后使用电吹风吹干， 得到处理后的钛合金TA2；

步骤一所述的NaOH溶液由NaOH和蒸馏水混合而成，且所述的NaOH的质量与蒸 馏水的体积比为15g:1L；

步骤一中所述的HF和HNO₃的混合溶液由质量分数为40％氢氟酸和质量分数为65％ 的硝酸混合而成；所述的HF和HNO₃的混合溶液中质量分数为40％氢氟酸与质量分数为 65％的硝酸的体积比为1:1；

二、微弧氧化：将处理后的钛合金TA2置于不锈钢中的电解液中，处理后的钛合金 TA2与电源的正极相连接，作为阳极，不锈钢电解槽与电源的负极相连接，作为阴极；采 用脉冲微弧氧化电源供电，在升压时间为10s、恒电压为400V、电源频率为1000Hz、占 空比为30％、电解液的温度为25℃和电解液的pH值为12的条件下反应5s，得到钛合金 TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层；

步骤二中所述的电解液由主成膜剂和辅助成膜剂组成，溶剂为水；所述的主成膜剂的 浓度为5g/L；辅助成膜剂的浓度为10g/L；

步骤二中所述的主成膜剂为铝酸钠；所述的辅助成膜剂中磷酸三钠。

图1为实施例一制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的SEM图；从图 1可知，实施例一制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的微孔的平均直径在 500nm左右，而可见光的波长分布在400nm～800nm，因而可以很好地吸收可见光；实施 例一制备的钛合金TA的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层进行测试可知，实 施例一制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的的发射率ε小于0.1；因为， 表面高太阳吸收率低发射率膜层薄，所以表面的发射率很小。

采用PerkinElmerLambda950(紫外/可见/近红外分光光度计)对实施例一制备的钛 合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层进行测试可知，实施例一制备的钛合金TA2表 面高太阳吸收率低发射率膜层的太阳能吸收率α为0.9；使用TEMP2000A便携式红外发 射率仪实施例一制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层进行测试可知实施例 一制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层的厚度小于1.0μm。

实施例一制备的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层在温度为500℃条件下， 保温3min，再放入到水中冷却，反复进行热震实验70次，涂层不脱落，表明本发明所制 得的钛合金TA2表面高太阳吸收率低发射率膜层具有优良的结合力和热稳定性。