镁锂合金表面化学镀、转化膜制备及性能研究

论文摘要

镁锂合金又称为超轻合金，是迄今为止金属结构材料中最轻的合金。镁锂合金具有以下独特的性能：低密度、良好的阻尼性能、高比强度、高硬度，良好的切削加工，优良的电磁屏蔽以及抗震性等特点，从而在通讯电子、汽车、航空航天等领域有着广阔的应用前景。但是对于镁锂合金而言，锂的加入在降低密度、提高塑性的同时，却使合金的抗腐蚀性能显著降低，从而严重限制了该合金的实际应用。为了扩大镁锂合金的应用范围，必须首先深入研究镁锂合金的腐蚀行为和防护方法。本文首先研究镁锂合金的腐蚀行为，之后在镁锂合金表面通过化学转化和化学镀获得耐蚀膜层。本文通过测定腐蚀速率、观察腐蚀形貌和测试极化曲线等方法研究Mg-8Li合金在介质中的腐蚀行为。室温下Mg-8Li合金在蒸馏水中和3.5％NaCl溶液中具有不同的腐蚀行为，在蒸馏水中的腐蚀较为缓慢，含有Cl-的溶液具有较强的腐蚀性，合金腐蚀电位向负方向移动，耐蚀性降低。其腐蚀以点蚀为主，蚀坑随时间的增加向深度和广度扩展。随着时间的增加腐蚀速度呈下降趋势，腐蚀产物主要为Mg（OH）2，腐蚀过程中由于Li被大量地溶解，剩下的镁合金在疏松的表面膜下也很快地腐蚀。化学转化膜操作简单、费用低廉、性能稳定，是普通镁合金防腐蚀的有效方法。化学镀镍磷镀层以其较高的硬度、耐磨性、耐蚀性、良好的光滑性和延展性被广泛应用到许多领域。但目前用于镁锂合金表面防护的研究还很少，本文尝试将普通镁合金的防护手段运用到镁锂合金表面，采用两种化学转化膜和化学镀Ni-P来提高镁锂合金的耐蚀性。主要有以下研究内容：1．以锡酸盐作为转化液在Mg-8Li合金表面形成化学转化膜，讨论了锡酸盐转化膜的形成过程，分析了膜层的表面形貌和成分，通过测量膜层的极化曲线和阻抗谱来评价膜层的耐蚀性。采用单因素考察法对工艺参数（包括pH值、温度、锡酸盐浓度、处理时间）、转化膜的微观形貌与耐腐蚀性能之间的关系进行了研究。锡酸转化膜为灰白色，微观形貌为近球形（鹅卵石状）颗粒组成，XRD结果表明膜层主要成分为MgSnO3·3HO。最佳成膜条件下得到的转化膜在3.5％NaCl溶液中的自腐蚀电位比Mg-8Li合金基体高约300 mV，自腐蚀电流下降两个数量级。锡酸盐转化膜对镁锂合金基体具有很好的保护作用。2．以稀土镧盐作为转化液在Mg-8Li合金表面形成化学转化膜，分析了膜层的表面形貌和成分，通过测量膜层的极化曲线和开路电位来评价膜层的耐蚀性，对转化膜的形成机制和耐蚀机理也进行了研究。为了获得最佳的镁锂合金稀土镧转化液配方与工艺参数，采用正交实验法对制备工艺参数进行了优化，对工艺参数、转化膜的微观形貌与耐腐蚀性能之间的关系进行了研究。稀土镧转化膜为白色，微观成针状结构，XPS分析膜层主要成分为La（OH）3。最佳成膜工艺条件下得到的膜层较为致密，对镁锂合金基体起到很好的保护作用，在3.5％NaCl溶液中的自腐蚀电位比Mg-8Li合金基体高约280 mV，自腐蚀电流下降两个数量级，在阳极极化区出现了很宽的钝化区。镁锂合金进行稀土转化后能提高耐蚀性。3．初次采用酸性钼酸盐溶液对镁锂合金进行前处理后直接化学镀Ni-P镀层。对膜层的结构、形貌和耐蚀性进行了研究，扫描电镜观察生成了致密均匀的Ni-P镀层。钼酸盐前处理膜层的存在降低了Ni-P镀层和基体的电位差，一定程度上提高了镁锂合金的耐蚀性。电化学测试结果表明化学镀Ni-P镀层相对于基体自腐蚀电流密度降低，自腐蚀电位正移，析氢腐蚀结果也进一步表明化学镀镍层腐蚀速率远远小于镁锂合金基体。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 镁及镁合金概述
• 1.1.2 镁锂合金的研究状况
• 1.2 镁合金的腐蚀类型
• 1.2.1 自然腐蚀类型
• 1.2.2 特定因素加速的腐蚀
• 1.3 镁合金的腐蚀机理
• 1.3.1 全面腐蚀
• 1.3.2 表面膜理论
• 1.3.3 Mg的负差数效应
• 1.4 表面处理方法
• 1.4.1 化学转化
• 1.4.2 自组装单分子膜
• 1.4.3 阳极氧化
• 1.4.4 电镀与化学镀
• 1.4.5 液相沉积与溶胶凝胶涂层
• 1.4.6 气相沉积
• 1.4.7 喷涂
• 1.4.8 激光熔覆合金涂层
• 1.5 本课题的研究方法、意义和主要研究内容
• 第2章 实验材料、工艺及研究方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 工艺流程和溶液成分
• 2.2.1 工艺流程
• 2.2.2 化学转化工艺流程及溶液成分
• 2.2.3 化学镀镍的工艺流程及溶液成分
• 2.3 实验试剂与仪器
• 2.3.1 实验试剂
• 2.3.2 实验仪器及设备
• 2.4 研究方法
• 2.4.1 表面形貌观察
• 2.4.2 膜层结构分析
• 2.4.3 镀层硬度测量
• 2.4.4 化学转化膜和化学镀层结合力测试
• 2.4.5 腐蚀实验
• 2.5 本章小结
• 第3章 Mg-8Li合金的腐蚀行为研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 Mg-8Li合金的显微组织及元素分布
• 3.3.2 腐蚀速率
• 3.3.3 开路电位和极化曲线
• 3.3.4 腐蚀形貌
• 3.3.5 腐蚀过程讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 镁锂合金锡酸盐转化膜
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 锡酸盐转化膜性能检测
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 锡酸盐转化膜的形貌及成分分析
• 4.3.2 锡酸盐转化膜形成机理探讨
• 4.3.3 pH值对锡酸盐转化膜的影响
• 4.3.4 温度对锡酸盐转化膜的影响
• 4.3.5 锡酸盐浓度对膜层的影响
• 4.3.6 不同处理时间对锡酸盐转化膜性能的影响
• 4.3.7 硬度与结合力
• 4.3.8 析氢实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 镁锂合金稀土镧转化膜
• 5.1 引言
• 5.2 稀土转化膜工艺的研究
• 5.2.1 前处理工艺
• 5.2.2 稀土转化膜的正交实验设计
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 稀土镧转化膜的表面形貌和元素分布
• 5.3.2 稀土转化膜的X射线光电子谱分析（XPS）
• 5.3.3 镁锂合金表面稀土转化膜成膜机制的初探
• 5.3.4 pH值对稀土转化膜的影响
• 5.3.5 温度对稀土转化膜的影响
• 5.3.6 时间对稀土转化膜的影响
• 5.3.7 硝酸镧浓度对转化膜的影响
• 5.3.8 稀土转化膜的耐蚀性分析
• 5.3.9 稀土转化膜的硬度和结合力
• 5.4 本章小结
• 第6章 镁锂合金化学镀Ni-P
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.3 钼酸盐前处理对镁锂合金表面的影响
• 6.3.1 前处理的表面形貌
• 6.3.2 催化活性的获得
• 6.4 钼酸盐前处理后沉积Ni-P镀层
• 6.4.1 化学镀Ni-P机理
• 6.4.2 化学镀液配方的确定
• 6.4.3 镀层表面形貌、组成
• 6.4.4 组织和结构分析
• 6.4.5 镍磷镀层的形核与长大
• 6.4.6 镀层的耐蚀性
• 6.4.7 Ni-P镀层的硬度与结合力
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢