AZ91D镁合金表面化学转化及溶胶—凝胶技术制备复合涂层研究

论文摘要

镁合金是最轻的金属结构材料,被誉为“21世纪绿色工程材料”,在汽车、航空航天以及电子行业中具有广阔的发展前景,但耐蚀性能差的缺点限制了镁合金的广泛应用。为了提高镁合金的耐蚀性,本文以AZ91D镁合金为研究对象,将溶胶-凝胶技术和化学转化技术相结合,制备了复合涂层。先用高锰酸钾—磷酸盐化学转化法,对AZ91D镁合金表面进行预处理;之后采用醇盐水解法,以正硅酸乙酯（TEOS）、钛酸四丁酯（Ti（O-Bu）4）和八水氧氯化锆（ZrOCl2·8H2O）为前驱体,在化学转化膜上制备了ZrO2-SiO2、TiO2-SiO2溶胶-凝胶涂层。部分样品在300℃、400℃进行热处理,以比较热处理前后溶胶-凝胶层的组织及性能变化。用SEM、XRD、EDS、DSC、红外光谱（FT-IR）、极化曲线、电化学阻抗、结合力测试等方法,分析、测试了成膜后的组织和性能,探讨了成膜机制、成膜过程和影响因素。试验结果表明,处理时间、温度和溶液的pH值,对化学转化膜的质量有很大影响。处理时间为1-2min、温度在40-60℃、磷化液pH值在1.3-1.7之间时,化学转化膜具有较高的耐蚀性能;结合力最好,可达到1级。时间过长、pH值过高以及温度过高都会使成膜疏松,降低转化膜与基体的结合力。复合涂层可明显提高镁合金基体的耐蚀性,电化学测试表明,复合涂层的自腐蚀电位(Ecorr)比AZ91D镁合金基体提高了200-300mV,自腐蚀电流密度(jcorr)降低了2-3个数量级,阻抗值提高了4-5个数量级。化学转化膜多孔结构增大了溶胶-凝胶层的附着力,提高了涂层的结合强度。经300℃热处理后,复合涂层的结合力最好,可达到0级:热处理温度过高反而降低膜层的结合力。在300℃、400℃热处理后的TiO2-SiO2复合涂层中,TiO2溶胶形成了锐钛矿结构和板钛矿结构:由Scherrer公式计算其晶粒大小约为13-16nm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 镁及镁合金概况
• 1.1.1 镁的基本性质
• 1.1.2 镁合金的性能特点及应用
• 1.1.3 镁合金的分类及牌号
• 1.2 镁及镁合金的腐蚀
• 1.2.1 镁合金的自然氧化膜
• 1.2.2 镁合金在环境中的腐蚀
• 1.2.3 镁合金的腐蚀类型
• 1.3 镁合金的表面处理
• 1.3.1 电镀
• 1.3.2 化学镀
• 1.3.3 有机涂层
• 1.3.4 物理气相沉积
• 1.3.5 化学气相沉积
• 1.3.6 转化膜
• 1.3.7 溶胶-凝胶技术
• 1.4 本实验研究内容
• 第2章 试验材料、工艺和研究方法
• 2.1 基体材料
• 2.2 试验方法及工艺
• 2.2.1 镁合金磷化工艺流程
• 2.2.2 磷化溶液成分及工艺规范
• 2.2.3 溶胶-凝胶涂层的制备及工艺规范
• 2.2.4 复合溶胶的制备
• 2.2.5 溶胶涂层的涂覆
• 2.2.6 复合涂层的热处理
• 2.3 膜层、涂层性能表征
• 2.3.1 显微组织观察和分析
• 2.3.2 膜层厚度及质量的测量
• 2.3.3 涂覆层的附着（结合）力测量
• 2.3.4 耐腐蚀性能研究
• 第3章 AZ91D镁合金的化学转化膜
• 3.1 引言
• 3.2 AZ91D压铸镁合金基体的显微组织
• 3.3 镁合金磷化膜的生长过程及生长机理
• 3.3.1 镁合金磷化膜的生长过程
• 3.3.2 镁合金磷化膜的成分及相组成
• 3.3.3 镁合金的磷化膜的生长机理
• 3.4 镁合金磷化膜的影响因素
• 3.4.1 稀土元素对镁合金磷化膜的影响
• 3.4.2 影响镁合金磷化膜成膜效果的工艺因素
• 3.5 镁合金磷化膜的厚度及质量
• 3.6 膜层的结合力
• 3.7 本章小结
• 第4章 溶胶-凝胶涂层研究
• 4.1 引言
• 4.2 溶胶-凝胶涂层的开裂行为研究
• 4.2.1 溶胶成分及成膜促进剂对开裂行为的影响
• 4.2.2 影响溶胶-凝胶涂层开裂行为的工艺因素
• 4.3 镁合金化学转化膜上涂覆溶胶-凝胶涂层的研究
• 4.3.1 表面及截面形貌
• 4.3.2 涂层成分分析
• 4.3.3 耐腐蚀性能分析
• 4.4 复合涂层的热处理
• 4.4.1 DSC分析
• 4.4.2 热处理后的涂层的X射线衍射分析
• 4.4.3 涂层热处理后的耐腐蚀性能
• 4.5 复合涂层的结合力
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢