氯化钠污染条件下镁—铝合金的β相对其大气腐蚀行为的作用机制

论文摘要

纯镁因为力学性能差而不能被用作结构材料,用于工程结构材料的是添加了合金元素的镁合金。合金元素的加入,在提高镁合金力学性能的同时,往往会形成第二相。镁一铝合金中的第二相β相(Mg12Al12)对其腐蚀行为有着重要影响。大气环境是镁合金最为常用的应用环境之一,在大气环境中存在污染微粒的情况下镁.铝合金中β相的腐蚀作用如何,β相体积分数的增加,是会加剧β相与基体α相之间的微电偶作用还是会增加镁-铝合金表面膜的稳定性,是本文关注的主要问题。采用普通铸造方法制备了3种不同Al含量的镁合金,Al的添加量均超过Al在Mg中的室温溶解度,因此制备的合金中均有第二相β相(Mg17Al12)。随着Al含量的增加,β相的体积分数增多。对具有不同体积分数β相的镁-铝合金进行室内模拟污染微粒（选用NaCl）作用下金属大气腐蚀实验,采用扫描电镜（SEM）对暴露不同周期的腐蚀产物的表面形貌,截面形貌以及去除腐蚀产物后基体的腐蚀形貌进行观察发现,NaCl盐粒作用下的镁-铝合金的大气腐蚀始于盐粒沉积的位置,表明通过沉降方式沉积到镁合金表面的盐粒诱发腐蚀时不存在相的选择性。β相的体积分数不同,腐蚀形貌存在比较大的差异。腐蚀增重结果表明随着合金中β相体积分数的增加,镁合金的腐蚀速率增加。这是因为起到阴极作用的β相,其体积分数的增加相当于增大了微电偶电池的阴极面积,从而加速了镁合金的腐蚀速率。金属表面的腐蚀产物膜对于金属基体起到一定程度的保护作用,而腐蚀产物膜的保护能力取决于膜层组成、结构和形态。采用X射线衍射（XRD）、电子探针（EPMA）、扫描电镜（SEM）等技术研究了镁合金中β相体积分数的增加对其大气腐蚀产物膜的组成、结构和性能的影响。镁合金的大气腐蚀产物主要组成为Mg（OH）2,MgCl2,MgCl2·2H2O,Mg2（OH）3Cl·4H2O等。随着β相的增加,镁合金腐蚀产物中出现富铝相（MgAl2O4）,然而富铝相的生成没有增加腐蚀产物膜的稳定性,相反增加了腐蚀产物膜组成和元素分布的不均匀性。β相与α相之间的微电偶作用随β相体积分数的增加而加强,导致更多的富铝相及腐蚀脱落的β相进入腐蚀产物并随着腐蚀进行不断发生迁移,从而引起腐蚀产物分布不均匀、结构疏松、多孔,降低了镁合金大气腐蚀产物膜的保护性。交流阻抗能够定性测试镁.铝合金大气腐蚀产物膜的保护性,随着合金中β相的增加,在相同暴露周期内腐蚀产物膜的阻抗值下降,表明膜层保护性降低。采用原位电化学阻抗研究了镁.铝合金在NaCl盐粒作用下的初期大气腐蚀行为。原位阻抗谱与腐蚀形貌相结合能很好的反映镁-铝合金初期的大气腐蚀过程。镁-铝合金的高频容抗弧对应为反应信息,低频容抗弧半径逐渐增加,表明腐蚀产物膜的保护性在增强,阻抗谱上的扩散尾对应腐蚀产物的迁移信息。原位阻抗谱揭示了由NaCl诱发的镁合金初期大气腐蚀,在早期的10h内β相体积分数较高的镁合金的电荷转移电阻相对较大,这与β相的相对耐蚀有关。一旦突破β相的阻碍作用,Mg-21Al合金仍表现为较快的腐蚀速度。随着暴露时间的延长,Mg-3Al合金腐蚀产物膜的保护性明显更好。原位阻抗谱的测试结果与增重结果基本吻合,表明电化学阻抗技术用于研究非连续水膜作用下镁合金的初期大气腐蚀具有可行性。β相的电化学性质是决定其与基体α相的电偶行为以及整个表面腐蚀的关键。根据β相的成分特点制备了β相的模型合金,在不同浓度的Cl-溶液环境中研究其表面膜的组成、结构以及电子特性。Cl-浓度增加会降低β相的自腐蚀电位和点蚀击破电位,加速β相表面膜的形成和溶解,明显影响了β相表面膜的半导体特性。这是由于Cl-浓度的增加,Cl-过多掺杂了β相表面膜的组成,使表面膜性质发生改变。β相在溶液中的电化学行为可以揭示大气环境中镁-铝合金微区上β相的腐蚀作用。高浓度的Cl-降低了β相表面膜的稳定性是NaCl污染因素作用下镁-铝合金中β相体积分数增加没有增加合金表面的稳定性反而使微电偶作用突出的原因所在。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 镁合金简介
• 1.1.1 镁及其合金的特性
• 1.1.2 镁及其合金的应用
• 1.2 镁及其合金的腐蚀性能的研究现状
• 1.2.1 镁及其合金的腐蚀特点
• 1.2.2 引起镁合金内部微电偶腐蚀的原因
• 1.2.3 影响镁合金腐蚀的冶金因素
• 1.2.4 影响镁合金腐蚀的环境因素
• 1.3 大气腐蚀研究方法简介
• 1.3.1 电化学研究方法
• 1.3.2 其它研究方法
• 1.4 论文研究的意义和目的及主要内容
• 第2章 实验材料制备及其显微组织分析
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料制备
• 2.3 样品表征方法
• 2.4 显微组织分析
• 2.5 成分分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 NaCl盐粒作用下β相对镁合金大气腐蚀行为的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验室模拟金属大气腐蚀实验过程
• 3.2.1 污染微粒的沉积方式
• 3.2.2 实验室模拟金属大气腐蚀装置
• 3.2.3 实验室模拟金属大气腐蚀实验方法
• 3.2.4 实验表征手段
• 3.3 实验室模拟金属大气腐蚀实验结果
• 3.3.1 NaCl盐粒的作用
• 3.3.2 腐蚀动力学
• 3.3.3 不同暴露时期的腐蚀形貌
• 3.4 结果讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 NaCl盐粒作用下β相对镁合金大气腐蚀产物膜组成和性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 实验室模拟金属大气腐蚀实验结果
• 4.3.1 盐粒在表面的沉积形态
• 4.3.2 腐蚀动力学
• 4.3.3 腐蚀产物形貌
• 4.4 结果讨论
• 4.4.1 大气腐蚀产物膜阻抗谱分析
• 4.4.2 β相对大气腐蚀产物膜形成机制的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 原位阻抗谱研究β相对镁合金初期大气腐蚀行为影响的方法探索
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 电化学阻抗测量
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 镁合金的腐蚀动力学
• 5.3.2 Mg-3Al合金初期大气腐蚀行为研究
• 5.3.4 Mg-21Al合金初期大气腐蚀行为研究
• 5.4 结果讨论
• 5.4.1 等效电路的建立
• 5.4.2 镁合金的阻抗拟合结果
• 5.4.3 腐蚀过程分析
• 5.5 本章小结
• -溶液环境中电化学行为的研究'>第6章 β相模型合金在含有不同浓度Cl^-溶液环境中电化学行为的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.3 实验结果
• 6.3.1 模型合金的相结构和微观形貌
• 6.4 结果讨论
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文和取得的科研成果
• 致谢