AZ91镁合金表面氧化物膜的制备及耐蚀性研究

摘要

镁合金作为目前最轻的有色金属材料，存在密度小、比强度高、阻尼性好、导热性好、导电性强、电磁屏蔽性好、加工成型性好、铸造性能优良、绿色环保等优异性能，使镁合金在航天航空、汽车制造、3C、医疗器械等领域得到广泛使用。但镁合金耐腐蚀性能差的缺点限制其的实际应用。本文运用溶胶-凝胶法、液相沉积法、水热原位生长三种化学方法在AZ91镁合金制备金属氧化物薄膜。利用X-射线衍射、扫描电子显微镜、能量散射光谱、动电位极化曲线和电化学阻抗等测试手段研究膜层的膜厚、组成、结合力、微观形貌和耐蚀性能。
　　 采用溶胶-凝胶法在镁合金表面制备了棕色的MgFe2O4薄膜，并利用正交试验法分析涂膜层数、烧结温度、恒温时间、n(Mg2+)/n(Fe3+)四种因素对MgFe2O4薄膜的微观形貌、结合力及耐蚀性能的影响。结果表明：薄膜的微观结构和膜厚主要由涂膜层数决定、结合力由烧结温度决定，而各因素薄膜耐蚀性能的影响：涂膜层数>烧结温度> n(Mg2+)/n(Fe3+)>恒温时间，薄膜的致密度对耐蚀性起到主要影响。得到的最优方案是：涂膜1层，烧结温度400℃，n(Mg2+)/n(Fe3+)=0.7/2，恒温时间5h。采用最优方案得出的样品膜层厚度为57μm，自腐蚀电流密度降低了约1个数量级，自腐蚀电位正移了690 mV，使得AZ91镁合金的耐腐蚀性能得到很大提高。
　　 利用尿素为沉淀剂将Ni2+沉积到镁合金表面制备了黑色的NiO薄膜，研究烧结温度、沉积时间、恒温时间对薄膜的组成、微观形貌、膜厚、结合力对耐蚀性的影响。发现薄膜的耐腐蚀性能随着沉积时间的增长逐渐增强，但在7h时由于镁合金与热水反应破坏了薄膜使得耐腐蚀性能降低；随着温度的增加耐腐蚀性相应的先增后减，烧结400℃耐蚀性最好；随着恒温时间增长NiO薄膜的耐腐蚀性增强，在恒温3 h-4 h耐腐蚀性能相差不大。不同的条件下形成NiO薄膜由于致密度优异而耐腐蚀性主要取决于膜厚，而膜厚由NiO的含量与结合力共同决定。沉积5h、恒温400℃、恒温3h的条件下是最优条件，所得NiO薄膜与AZ91镁合金基体相对比腐蚀电位正移了706 mV，自腐蚀电流降低了1个数量级，很好的改善了AZ91镁合金的耐腐蚀性能。
　　 运用气溶胶OT为表面活性剂，镁合金在NaOH介质的水热环境下原位生长Mg(OH)2薄膜，以此为前躯体制备MgO膜。分析pH、水热时间、水热温度对Mg(OH)2薄膜的组成、微观形貌、膜厚、结合力和耐蚀性影响。结果表明：用此方法制备的薄膜都具有极优的结合力。不同溶液pH条件下，膜厚和致密度共同决定了耐腐蚀性能，耐蚀性pH=10>9>12>11；不同的水热时间条件下，耐腐蚀性3 h>4 h>6 h>8 h；不同水热温度条件下耐腐蚀性120℃>110℃>140℃>160℃。溶液pH=10、水热时间3h、水热温度120℃条件下制备的Mg(OH)2薄膜耐腐蚀性性能最好，腐蚀电位正移了721 mV，腐蚀电流密度降低了1个数量级。将最优条件下形成Mg(OH)2薄膜的试样在450℃下恒温4h形成MgO薄膜，导致耐腐蚀性能下降，但MgO薄膜依然具有很好的耐腐蚀性能，与AZ91镁合金基体相对比腐蚀电位正移了486 mV，腐蚀电流密度下降了约1个数量级。