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

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。

目录

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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在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