镁、铝合金表面纳米复合涂层的制备与耐磨、耐蚀性能研究

摘要

金属铝、镁及其合金，性能优良、应用广泛，但其硬度低、耐磨损性和耐腐蚀性差，极易发生磨损腐蚀和化学腐蚀。因此，对它们进行表面处理以提高其性能非常重要。常用的表面处理有化学镀、化学转化、喷涂等方法。其中，化学镀多基于Ni-P二元合金，基于Ni-Co-P三元合金镀层性能的研究尚较少。同时，目前，国内外对于具有“耐磨”和“超疏水”双功能的涂层的研究也较少。
　　为此，本论文以铝合金和镁合金为衬底，分别以Ni-Co-P三元合金及PPS-PTFE聚合物为基底，TiN、SiO2为增强颗粒，成功制备了Ni-Co-P/TiN耐磨耐蚀化学复合镀层、PPS-PTFE/SiO2耐磨超疏水纳米复合涂层，采用SEM、EDS、XRD、FTIR、自动划痕仪、维氏硬度计、高速往返磨损试验机、接触角测试仪、电化学工作站等设备，对涂层的表面形貌、成分、结合力、硬度、接触角、耐磨损性和耐腐蚀性进行了检测，探究了涂层中三元合金Co含量、SiO2纳米颗粒含量对涂层结构和性能的影响。
　　①在铝合金上制备了不同Co含量(0-23 wt.％)的Ni-Co-P/TiN纳米化学复合镀层。所有镀层都呈现不均匀的胞状结构，胞状体上分布着紧密而粗糙的颗粒，随着镀层中Co含量的增加，镀层晶粒细化，晶粒尺寸减少，Ni、P含量降低。
　　②Ni-Co-P/TiN纳米化学复合镀层的微观硬度、镀层与衬底的结合力、摩擦系数、耐磨损性和耐腐蚀性都随着镀层中Co含量的增加而增加。当镀层中Co含量为23 wt.%时，镀层拥有最低的磨损率和最优的耐腐蚀性能。
　　③在铝合金衬底上制备了SiO2含量范围为0-4 g/l的PPS-PTFE/SiO2超疏水、疏水复合涂层，PPS-PTFE涂层呈纤维组成的乳突状结构，且附有很多小孔洞，PPS-PTFE涂层的接触角为150.3o。随着SiO2含量的增加，PPS-PTFE/SiO2复合涂层的接触角有所下降。
　　④经过砂纸摩擦后PPS-PTFE/0.08 gSiO2复合涂层的接触角没有明显变化，说明SiO2提高了PPS-PTFE/SiO2复合涂层的耐磨损性能。另外，从极化曲线上可知，PPS-PTFE/SiO2复合涂层的腐蚀电位高于铝合金的腐蚀电位，而腐蚀电流密度低于铝合金的腐蚀电流密度，表明PPS-PTFE/SiO2复合涂层提高了铝合金的耐蚀性能。
　　⑤在AZ31镁合金衬底上制备了SiO2含量范围为0-4 g/l的PPS-PTFE/SiO2超疏水涂层，PPS-PTFE/SiO2(0-4 g/l)复合涂层呈纤维组成的乳突状结构，且附有很多小孔洞，接触角为152o-145o。样品具有较好的自清洁功能。
　　⑥在摩擦10 m后，PPS-PTFE/SiO2(4 g/l)复合涂层的接触角为142.5o，接触角只减少了3o，说明SiO2提高了涂层的耐磨损性。从极化曲线和交流阻抗谱中得出，PPS-PTFE/SiO2(4 g/l)复合涂层的腐蚀电位(1.34 V)比AZ31镁合金(-1.5 V)高，腐蚀电流密度(5.37e-6 A/cm2)比AZ31镁合金(1.10e-3 A/cm2)低，另外，PPS-PTFE/SiO2(4 g/l)复合涂层的Rs、Rp都远大于AZ31镁合金。这些结果表明，PPS-PTFE/SiO2(4 g/l)复合涂层提高了AZ31镁合金在3.5 wt.%NaCl溶液中的耐腐蚀性能。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 轻合金的耐磨、耐蚀性能

1.3 轻合金表面耐磨、耐蚀涂层的研究现状

1.4 研究目的和主要内容

2 纳米复合涂层的制备过程与表征方法

2.1 Ni-Co-P/TiN化学复合镀层的制备

2.2 PPS-PTFE/SiO2复合涂层的制备

2.3 实验材料与仪器

2.4 表征技术

3 铝合金表面Ni-Co-P/TiN化学复合镀层的结构及性能研究

3.1 引言

3.2 Co含量对化学复合镀层的形貌、成分、结构的影响

3.3 Co含量对化学复合镀层耐磨损性能的影响

3.4 Co含量对化学复合镀层耐腐蚀性的影响

3.5 本章小结

4 铝合金表面PPS-PTFE/SiO2复合涂层的结构及性能研究

4.1 引言

4.2 SiO2含量对复合涂层的表面形貌的影响

4.3 SiO2含量对复合涂层疏水性能的影响

4.4 SiO2含量对复合涂层耐磨损性能的影响

4.5 SiO2含量对复合涂层耐腐蚀性能的影响

4.6 本章小结

5 镁合金表面PPS-PTFE/SiO2复合涂层的结构及性能研究

5.1 引言

5.2 SiO2含量对复合涂层形貌、成分的影响

5.3 SiO2含量对复合涂层的疏水性能的影响

5.4 SiO2含量对复合涂层耐磨损性能的影响

5.5 SiO2含量对复合涂层耐腐蚀性能的影响

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 后续工作与展望

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B．作者在攻读硕士期间参加的科研项目

C．补充材料(视频)