镁锂合金表面涂层及腐蚀性能研究

论文摘要

镁锂合金是目前最轻的金属结构材料，具有超轻高强的特点，并且具有韧性好、抗弯强度大、容易变形加工等优点，是宇航、兵器、汽车、电子等领域中优选的一类结构材料。但是，镁锂合金的耐蚀性较差，使它的应用受至很大的限制。本文研究了NaCl溶液的浓度和pH值对镁锂合金腐蚀行为的影响，通过腐蚀速率、腐蚀形貌、腐蚀产物以及电化学分析对合金在不同体系中的腐蚀行为进行了研究。在NaCl溶液中，由于Cl-的特殊作用，镁锂合金所发生的是有选择的点蚀，并向基体内部及四周逐渐扩大，形成较深的蚀坑，在碱性溶液中所生成的腐蚀产物最多，在酸性溶液中形成的蚀坑最大。镁锂合金在碱性NaCl溶液中的腐蚀产物为Mg（OH）2、Al2O3和Li2O2，呈现晶态结构特征，而在中性和酸性溶液中腐蚀产物的主要成分为Mg（OH）2和Al2O3。随着Cl-浓度的升高，合金的平均腐蚀速率增大，腐蚀电流增大，腐蚀越严重；碱性增强时，合金的点蚀电位正移，表面膜钝化作用增强，减缓了腐蚀的进行；酸性增强时，合金的腐蚀电流增大，线性极化电阻减小，加快了腐蚀的进行。本文通过正交试验法对镁锂合金稀土铈盐和植酸两种化学转化工艺的实验参数进行了优化，铈盐转化膜最佳工艺为：Ce（NO3）3浓度为0．05mol/L；转化温度为35℃；转化时间为10min。植酸转化膜最佳工艺为：转化液pH为6；植酸浓度20g/L；成膜时间10min；成膜温度35℃。电化学测试和析氢实验结果表明铈盐转化膜和植酸转化膜能明显提高镁锂合金的耐腐蚀能力，处理后合金硬度也有较大幅度的提高。利用SEM观察了转化膜的表面形貌，铈盐转化膜为灰白色均匀薄膜，由针状物堆积而成，膜层厚度约12μm。植酸转化膜呈现深灰色，表面有白色花絮状物质沉积，膜层中存在微小裂纹。采用EDS、XRD、XPS及FT-IR分析了膜层的主要成分，铈盐转化膜主要为Ce（Ⅲ）和Ce（Ⅳ）的氧化物和氢氧化物的混合物，其中CeO2呈晶态结构。植酸转化膜主要含Mg、O、P、Al和C，深灰色区域主要为镁的螯合物，白色区域主要为铝的螯合物。结合OCP曲线和膜层的组成，分别探讨了铈盐和植酸转化膜的成膜过程。采用溶胶-凝胶法合成纳米SiO2前驱体，用γ-环氧丙氧基三甲氧基硅烷进行原位改性，XRD和FT-IR分析证实改性成功。利用纳米SiO2前驱体制备环氧/纳米SiO2杂化涂层，SEM分析表明杂化涂层呈明显的两相结构，无机相以纳米尺度均匀地分散于有机相中。杂化涂层的硬度和耐腐蚀性明显优于环氧涂层。电化学极化曲线和交流阻抗的分析表明当SiO2质量分数为3%时，镁锂合金腐蚀速率最低，防腐效果最佳。在镁锂合金铈盐和植酸转化膜上分别涂覆环氧/纳米SiO2杂化涂层，进行复合防护处理。析氢实验和盐雾腐蚀实验表明复合涂层相对于单层涂层有明显的防腐优势，其腐蚀速率明显降低，其中植酸-环氧/纳米SiO2复合涂层的防腐效果更好。并通过交流阻抗图，用扩散理论分析了植酸-环氧/纳米SiO2复合涂层的防腐蚀过程及防腐蚀优势。复合涂层的硬度和附着力明显优于环氧涂层和单纯的杂化涂层，有利于提高对镁锂合金的防护效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的与意义
• 1.2 镁及镁合金的概述
• 1.2.1 镁合金的物理性质与力学性能
• 1.2.2 镁合金的化学性质
• 1.3 镁合金的应用
• 1.4 镁合金的腐蚀行为
• 1.4.1 镁合金的腐蚀机理
• 1.4.2 镁合金的负差数效应
• 1.4.3 镁合金的腐蚀类型
• 1.4.4 镁合金腐蚀的研究现状
• 1.5 镁合金的防护技术
• 1.5.1 化学转化
• 1.5.2 阳极氧化
• 1.5.3 微弧阳极氧化
• 1.5.4 电镀与化学镀
• 1.5.5 溶胶-凝胶涂层
• 1.6 镁锂合金
• 1.6.1 镁锂合金的研究历史
• 1.6.2 镁锂合金的特性
• 1.6.3 镁锂合金的应用
• 1.6.4 镁锂合金的表面处理技术
• 1.6.5 镁锂合金的研究现状
• 1.6.6 镁锂合金的发展前景
• 1.7 本文主要研究内容
• 第2章 实验材料、工艺及研究方法
• 2.1 实验原料及设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 试验工艺
• 2.2.1 试样打磨
• 2.2.2 表面清洗
• 2.2.3 碱洗
• 2.2.4 酸洗
• 2杂化涂层的制备'>2.2.5 镁锂合金表面环氧/纳米SiO₂杂化涂层的制备
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 结合力测试
• 2.3.2 表面形貌观察
• 2.3.3 膜层结构分析
• 2.3.4 膜层硬度测量
• 2.3.5 红外光谱表征
• 2.3.6 腐蚀实验
• 第3章 镁锂合金在NaCl溶液中的腐蚀行为
• -浓度对镁锂合金腐蚀行为的影响'>3.1 Cl^-浓度对镁锂合金腐蚀行为的影响
• 3.1.1 静态腐蚀速率
• 3.1.2 极化曲线分析
• 3.1.3 交流阻抗分析
• 3.1.4 开路电位-时间曲线分析
• 3.2 pH值对镁锂合金腐蚀行为的影响
• 3.2.1 静态腐蚀速率
• 3.2.2 极化曲线分析
• 3.2.3 交流阻抗分析
• 3.3 镁锂合金的腐蚀形貌与腐蚀产物
• 3.3.1 碱性NaCl溶液
• 3.3.2 酸性NaCl溶液
• 3.3.3 中性NaCl溶液
• 3.4 镁锂合金腐蚀机理探讨
• 3.5 本章小结
• 第4章 镁锂合金表面化学转化膜研究
• 4.1 铈盐化学转化膜
• 4.1.1 最佳成膜工艺
• 4.1.2 铈盐转化膜形貌分析
• 4.1.3 铈盐转化膜成分分析
• 4.1.4 铈盐转化膜结合力与硬度分析
• 4.1.5 铈盐转化膜耐蚀性分析
• 4.1.6 铈盐转化膜成膜机理
• 4.2 植酸化学转化膜
• 4.2.1 最佳成膜工艺
• 4.2.2 植酸转化膜形貌分析
• 4.2.3 植酸转化膜成分分析
• 4.2.4 植酸转化膜结合力与硬度分析
• 4.2.5 植酸转化膜耐蚀性分析
• 4.2.6 植酸转化膜成膜机理
• 4.3 本章小结
• 2杂化涂层的合成与耐蚀性研究'>第5章 镁锂合金表面环氧/纳米SiO₂杂化涂层的合成与耐蚀性研究
• 2杂化涂层的合成与表征'>5.1 环氧/纳米SiO₂杂化涂层的合成与表征
• 2'>5.1.1 溶胶-凝胶法合成纳米SiO₂
• 2的改性'>5.1.2 纳米SiO₂的改性
• 2杂化涂层杂化机理'>5.1.3 环氧/纳米SiO₂杂化涂层杂化机理
• 2杂化涂层的显微结构'>5.1.4 环氧/纳米SiO₂杂化涂层的显微结构
• 2杂化涂层的硬度'>5.1.5 环氧/纳米SiO₂杂化涂层的硬度
• 2杂化涂层耐蚀性的研究'>5.2 镁锂合金表面环氧/纳米SiO₂杂化涂层耐蚀性的研究
• 5.2.1 极化曲线分析
• 5.2.2 交流阻抗分析
• 5.2.3 析氢腐蚀速率分析
• 5.2.4 盐雾腐蚀实验
• 5.3 本章小结
• 第6章 镁锂合金复合防护技术
• 6.1 极化曲线分析复合防护技术
• O2复合防护技术'>6.1.1 铈盐-环氧/纳米Si_O2复合防护技术
• 2复合防护技术'>6.1.2 植酸-环氧/纳米SiO₂复合防护技术
• 6.2 析氢腐蚀速率分析
• 6.3 盐雾腐蚀实验分析
• 6.4 浸泡时间对复合涂层交流阻抗的影响
• 6.5 复合涂层硬度分析
• 6.6 复合涂层附着力分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢