一种用于航天器的镁合金表面热控膜层的制备方法技术领域
本发明属于腐蚀与防护技术领域，涉及一种用于航天器的镁合金的表面处理方
法。
背景技术
镁是一种很轻的金属元素，在地壳中含量丰富、分布广泛，大约占地球重量的
2.35％，同时也是海水中的第三富有元素，大约占海水重量的0.13％。镁合金作为一种轻质
工程材料，具有密度低，比强度和比刚度高，减震性好，导电导热性好，磁屏性能优良、可回
收等特点。除此之外，镁合金还具有优秀的切削加工和抛光性能，容易铸造。镁合金因具有
多种优点得到了人们的广泛关注，但镁合金化学性质活泼，耐磨性和耐蚀性较差，阻碍了其
应用，因而必须对镁合金进行表面防腐处理。
通过不同的表面处理手段，不仅可以在一定程度上解决镁合金耐蚀、耐磨性差的
问题，还可使之具有一定的特殊性能。对镁合金进行微弧氧化表面改性处理是提高其耐蚀、
耐磨性的重要方法之一。微弧氧化(MAO)即为重要的表面处理手段之一，其膜层与基体的结
合力比阳极氧化更强，而且具有类似于陶瓷的晶体结构，因而也称为陶瓷膜。微弧氧化膜致
密且坚硬，不仅可以满足普通的耐蚀、耐磨和装饰的要求，也可以满足长时间的高温、高压、
高速以及有腐蚀介质的环境等多种苛刻的服役要求。另外，由于结构的特殊性，还能够改善
表面绝缘性，并可通过调整工艺使之具有较好的热控性能等特殊的功能。
轻量化是目前我国航天器发展和设计的必然趋势，为了实现轻量化，主要是通过
使用镁合金来实现。航天器部分部位的镁合金构件不仅要求耐蚀性好，也要求表面具有半
球发射率较高的黑色膜层。微弧氧化是一种较好的表面处理方式，可以同时赋予镁合金表
面较好的热控性能和耐蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有制备黑色微弧氧化膜层方法的不足，提出一种新的针
对镁合金的微弧氧化工艺，以提高其耐蚀性和半球发射率。本发明具备电解液稳定环保、操
作简单，制备的膜层性能优异等特点。
一种用于航天器的镁合金表面热控膜层的制备方法，具体包括如下步骤：
一、电解液配制：先将所需质量的主成膜剂在1/4体积的水中溶解，然后加入所需
质量的有机络合剂，搅拌直至完全溶解；酌量向其中加入部分pH调节剂，搅拌直至完全溶解
得到浓缩液；将所需量的着色剂加入浓缩液，将容器密封；用超声清洗器或者磁力搅拌器搅
拌，直至固体颗粒全部溶解；加水补充至所需体积，搅拌后放置30-50min，测其pH，逐渐添加
pH调节剂，直至pH达到预期范围，得到微弧氧化电解液，静置待用；其中微弧氧化电解液中
主成膜剂的浓度为5～50g/L，有机络合剂的浓度为1～10g/L，着色剂的浓度为3～30g/L，pH
剂调节剂的浓度为3～10g/L；
二、前处理：先对镁合金基体进行打磨，暴露出光亮基体且表面相对平滑后，用去
离子水冲洗干净，然后碱洗，碱洗溶液为20～40g/L十水碳酸钠，10～30g/L氢氧化钠和0.5
～1ml/L OP-10润湿剂，溶液温度为70～90℃，保温处理时间为5～10min；碱洗后用清水冲
洗3～5次，再用去离子水冲洗3～5次，然后需干燥以备装夹；将待氧化件与铝导线紧密装
夹，保证导电良好且接触稳固；
三、微弧氧化：将装夹后的待氧化件完全浸入微弧氧化电解液，导线另一端与电源
阳极稳固连接；将气泵装置安装就绪；设定电参数：电流密度为1A/dm2～20A/dm2，脉冲比为1
～3:1，占空比为25％～75％，频率为50Hz～1000Hz；氧化时间在10～30min，对氧化完成试
样进行清洗、干燥和拆下夹具，得到镁合金表面热控膜层。
进一步的，步骤一中主成膜剂为磷酸钠或磷酸铵。
进一步的，步骤一中有机络合剂为乙二胺或乙二胺四乙酸。
进一步的，步骤一中pH调节剂为氢氧化钾。
进一步的，步骤一中着色剂为硫酸铜、硫酸钴或硫酸锰。
进一步的，步骤一中微弧氧化电解液pH需保持在12～14之间。
进一步的，碱洗后到待氧化件浸入微弧氧化电解液之前，待氧化件及相关夹具、导
线需保持清洁。
进一步的，连接用铝导线除了与待氧化试样接触的部位，其余部位应有绝缘皮。
进一步的，各部分的连接必须良好且稳固，以防在高压下出现打火现象。
进一步的，使用气泵促进微弧氧化电解液循环，使微弧氧化电解液温度维持在40
℃以下。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
一、电解液组分少，含量较低，配制便捷，且不含氰化物或氟化物，更环保；
二、去掉了氧化前的活化工艺(传统工艺多用氟化物先进行活化)，降低生产成本，
进一步减小对环境的影响；
三、本发明选择的有机络合剂更优异，不仅添加量少，且能够保证在较高碱性条件
下溶液的稳定性；
四、氧化处理时间短，仅需10～30min，提高生产效率。
五、本发明可加工各种形状的物件，膜层均匀，耐腐蚀，耐摩擦，半球发射率为0.85
～0.90，满足航天的应用要求。
附图说明
图1为本发明所使用的微弧氧化装置示意图；
图2为试验得到的镁合金表面热控膜层的400倍表面微观形貌；
图3为试验得到的镁合金表面热控膜层的2000倍表面微观形貌；
图4为试验得到的镁合金表面热控膜层的2000倍截面微观形貌；
图5为试验得到的镁合金表面热控膜层与镁合金基体极化曲线对比图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式的
任意组合。
具体实施方式一：本实施方式是一种用于航天器的镁合金表面热控膜层的制备方
法，具体是按以下步骤完成的：
一、电解液配制。先将所需质量的主成膜剂在1/4体积的水中溶解，然后加入所需
质量的有机络合剂，搅拌直至完全溶解；酌量向其中加入部分pH调节剂，搅拌直至完全溶
解；将所需量的着色剂加入该浓缩液，将容器密封；用超声清洗器或者磁力搅拌器搅拌，直
至固体颗粒全部溶解；加水补充至所需体积，搅拌后放置约40min，测其pH，逐渐添加pH调节
剂，直至pH达到预期范围，静置待用。其中微弧氧化电解液中主成膜剂的浓度为5～50g/L，
有机络合剂的浓度为1～10g/L，着色剂的浓度为3～30g/L，pH剂调节剂的浓度为3～10g/L。
二、前处理：先对镁合金基体进行打磨，暴露出光亮基体且表面相对平滑后，用去
离子水冲洗干净，然后碱洗，碱洗溶液为20～40g/L十水碳酸钠，10～30g/L氢氧化钠和0.5
～1ml/L OP-10润湿剂，溶液温度为70～90℃，保温处理时间为5～10min。碱洗后用清水冲
洗3～5次，再用去离子水冲洗3～5次，然后需干燥以备装夹；将待氧化件与铝导线紧密装
夹，保证导电良好且接触稳固；
三、微弧氧化。将装夹后的待氧化件完全浸入电解液，导线另一端与电源阳极稳固
连接；将气泵等装置安装就绪；设定电参数：电流密度为1A/dm2～20A/dm2，脉冲比为1～3:1，
占空比为25％～75％，频率为50Hz～1000Hz。氧化时间在10～30min。对氧化完成试样进行
清洗、干燥和拆下夹具。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
一、电解液组分少，含量较低，配制便捷，且不含氰化物或氟化物，更环保；
二、去掉了氧化前的活化工艺(传统工艺多用氟化物先进行活化)，降低生产成本，
进一步减小对环境的影响；
三、本发明选择的有机络合剂更优异，不仅添加量少，且能够保证在较高碱性条件
下溶液的稳定性；
四、氧化处理时间短，仅需10～30min，提高生产效率。
五、本发明可加工各种形状的物件，膜层均匀，耐腐蚀，耐摩擦，半球发射率为0.85
～0.90.满足航天的应用要求。
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一中所述的主成膜
剂为磷酸钠或磷酸铵。其他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一中所述
的有机络合剂为乙二胺或乙二胺四乙酸。其他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一中所述
的pH调节剂为氢氧化钾。其他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一中所述
的着色剂为硫酸铜、硫酸钴或硫酸锰。其他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一中主成
膜剂的浓度为10～40g/L，有机络合剂的浓度为3～8g/L，着色剂的浓度为5～20g/L，pH剂调
节剂的浓度为5～8g/L。其他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一中主成
膜剂的浓度为20g/L，有机络合剂的浓度为5g/L，着色剂的浓度为10g/L，pH剂调节剂的浓度
为6g/L。其他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三中控制
电流密度是10A/dm2～20A/dm2。其他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三中控制
电流密度是15A/dm2。其他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三中控制
频率是100Hz～500Hz。其他与具体实施方式一至九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同点是步骤三中控
制频率是200Hz。其他与具体实施方式一至十相同。
采用以下试验证明本发明的有益效果：
试验：一种用于航天器的镁合金表面热控膜层的制备方法，具体是按以下步骤完
成的：
一、电解液配制。先将所需质量的主成膜剂在1/4体积的水中溶解，然后加入所需
质量的有机络合剂，搅拌直至完全溶解；酌量向其中加入部分pH调节剂，搅拌直至完全溶
解；将所需量的着色剂加入该浓缩液，将容器密封；用超声清洗器或者磁力搅拌器搅拌，直
至固体颗粒全部溶解；加水补充至所需体积，搅拌后放置约40min，测其pH，逐渐添加pH调节
剂，直至pH达到预期范围，静置待用。
步骤一中所述的电解液中主成膜剂的浓度为20g/L，有机络合剂的浓度为5g/L，着
色剂的浓度为10g/L，pH剂调节剂的浓度为6g/L。
步骤一中所述的电解液中主成膜剂为磷酸铵，有机络合剂为乙二胺，着色剂为硫
酸锰，pH剂调节剂为氢氧化钾。
二、前处理：先对镁合金基体进行打磨，暴露出光亮基体且表面相对平滑后，用去
离子水冲洗干净，然后碱洗，碱洗溶液为20～40g/L十水碳酸钠，10～30g/L氢氧化钠和0.5
～1ml/L OP-10润湿剂，溶液温度为70～90℃，保温处理时间为5～10min。碱洗后用清水冲
洗3～5次，再用去离子水冲洗3～5次，然后需干燥以备装夹；将待氧化件与铝导线紧密装
夹，保证导电良好且接触稳固；
步骤二中所述的镁合金为MB2。
三、微弧氧化。将装夹后的待氧化件完全浸入电解液，导线另一端与电源阳极稳固
连接；将气泵等装置安装就绪；设定电参数：电流密度为15A/dm2，脉冲比为1:1，占空比为
25％，频率为200Hz。氧化时间在20min。对氧化完成试样进行清洗、干燥和拆下夹具。
试验得到镁合金表面热控陶瓷膜层的性能如下表所示。
使用扫描电镜对试验得到的镁合金表面热控膜层进行测试，如图2，图3和图4所
示。图2为试验得到的镁合金表面热控膜层表面放大400倍的SEM图；图3为试验得到的镁合
金表面热控膜层表面放大2000倍的SEM图；图4为试验得到的镁合金表面热控膜层截面放大
2000倍的SEM图。从试样形貌可以看出，微弧氧化膜层表面呈多孔烧结状形貌。图5为镁合金
基体与镁合金表面热控膜层的极化曲线对比图，从图5可知，镁合金经过微弧氧化后，腐蚀
电位有所提高，腐蚀电流密度降低了4个数量级，镁合金表面热控膜层具有较好的耐蚀性。