复合电解液中镁合金微弧氧化复合膜层制备及特性研究

摘要

本文采用微弧氧化技术(MAO)在恒流条件下在镁合金表面制备陶瓷膜层，并以陶瓷膜层的耐蚀性做为主要评价指标，对铝酸钠-硅酸钠复合电解液的组分、电源输出参数、电源工作模式进行了研究及优化，确定最佳优化参数，并在此基础上进一步研究了纳米碳化硅颗粒与微弧氧化技术复合膜层的制备工艺及特性。利用测厚仪、扫描电镜、XRD、能谱仪、显微硬度计研究了膜层厚度、显微结构形貌、相组成、膜层成分和硬度;利用摩擦磨损仪测试了膜层的耐磨性;在3.5％ NaCl中性溶液中采用静态失重试验、极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)等方法测试膜层的耐蚀性能。结果表明: 在铝酸钠-硅酸钠复合电解液中，镁合金微弧氧化膜层厚度及耐蚀性随着组分铝酸钠、硅酸钠、四硼酸钠、氢氧化钠、柠檬酸钠、丙三醇浓度的增加呈现出先提高后降低的变化趋势。铝酸钠、四硼酸钠为膜层耐蚀性的主要影响因素，铝酸钠、硅酸钠、四硼酸钠和丙三醇为膜层厚度的主要影响因素。经优化确定:铝酸钠9 g/L、硅酸钠15 g/L、四硼酸钠2g/L、氢氧化钠3g/L、柠檬酸钠7g/L、丙三醇5mL/L为绿色复合电解液组元最佳配方。 不同的电源输出参数下，膜层的耐蚀性随着电流密度、脉冲频率、占空比及氧化时间增加先提高后降低的变化趋势，膜层厚度的变化趋势与耐蚀性有所不同。电流密度是膜层耐蚀性的主要影响因素，电流密度、氧化时间是膜层厚度主要影响因素。利用正交优化试验确定电流密度15 A/dm2、脉冲频率520Hz、正占空比38％及氧化时间15min为本体系中最佳电源输出参数。 不同电源工作模式下，与单极性相比，双极性下膜层致密，均匀，具有更好的耐腐蚀性能，确定本体系采用双极性电源工作模式。 复合膜层耐蚀性随着碳化硅浓度的增加先提高后降低，膜层的厚度随着碳化硅浓度的增加而增加，当碳化硅浓度为4g/L时复合膜层致密，均匀，耐蚀性最佳。 镁合金微弧氧化过程可分为活性溶解、活化钝化、钝化、过钝化四个区。在恒流氧化模式下，该体系中微弧氧化膜层生长过程可分为阳极氧化膜形成期、微弧氧化膜快速生长期，微弧氧化膜局部生长期三个阶段。单一膜层主要由O元素、Mg元素、Al元素、Si元素组成，并且氧化时间不同，各元素的含量不同。复合膜层由于碳化硅的加入膜层中比单一膜层增加了C元素，C元素随着碳化硅浓度的增加而增加，其在膜层分布规律是外层分布稍高，内部较低，但总体含量较少。在不同的工艺条件下微弧氧化陶瓷膜层均由MgO、MgAl2O4、 Mg2SiO4三相组成，但工艺条件影响它们的浓度比例的分配。 微弧氧化可有效地提高镁合金的耐蚀性和耐磨性，单一膜层与基体相比，自腐蚀电极电位提高150mV，腐蚀电流密度降低3个数量级，磨损率性下降20％。碳化硅颗粒与微弧氧化复合膜层的耐蚀性、耐磨性可进一步提高，但耐磨性提高的更加显著;复合膜层的综合质量优于单一膜层。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 镁合金的典型应用

1．2．1 在国防军工上的应用

1．2．2 在航空航天工业上的应用

1．2．3 在汽车工业上的应用

1．2．4 在轻工业上的应用

1．3 镁合金腐蚀的基本类型

1．3．1 电偶腐蚀

1．3．2 点蚀与丝状腐蚀

1．3．3 应力腐蚀

1．3．4 疲劳腐蚀

1．4 镁合金防蚀处理技术

1．4．1 开发高纯合金或新合金

1．4．2 快速凝固技术

1．4．3 表面防护技术

1．5 镁合金微弧氧化处理技术

1．5．1 微弧氧化技术工作原理

1．5．2 微弧氧化技术特点

1．5．3 镁合金微弧氧化技术发展现状

1．5．4 镁合金微弧氧化存在的问题及发展方向

1．6 本课题主要研究内容及技术路线

1．6．1 主要研究内容

1．6．2 研究的技术路线

第2章 试验材料及方法

2．1 试验材料

2．1．1 基体材料

2．1．2 化学试剂

2．2 微弧氧化膜层的制备

2．2．1 试验准备

2．2．2 微弧氧化膜层的制备

2．3 镁合金微弧氧化膜层的表征方法

2．3．1 膜层外观检查

2．3．2 膜层厚度

2．3．3 膜层粗糙度

2．3．4 膜层微观形貌及成分

2．3．5 膜层相结构

2．3．6 膜层硬度

2．3．7 膜层耐蚀性

2．3．8 膜层耐磨性

2．3．9 膜层润湿性

2．3．10 膜层结合力

第3章 镁合金微弧氧化复合电解液组分的研究

3．1 电解液基础成分的选择

3．1．1 电解液主成分的初选

3．1．2 添加剂的初选

3．2 电解液组分单因素对镁合金微弧氧化行为的影响

3．2．1 铝酸钠浓度对镁合金微弧氧化行为的影响

3．2．2 硅酸钠浓度对镁合金微弧氧化行为的影响

3．2．3 四硼酸钠浓度对镁合金微弧氧化行为的影响

3．2．4 氢氧化钠浓度对镁合金微弧氧化行为的影响

3．2．5 丙三醇浓度对镁合金微弧氧化行为的影响

3．2．6 柠檬酸钠浓度对镁合金微弧氧化行为的影响

3．3 电解液组分的正交优化试验

3．3．1 正交优化试验设计

3．3．2 正交优化试验结果分析

3．4 电解液组分较优配方工艺的验证试验

3．5 本章小结

第4章 镁合金微弧氧化电源输出参数的研究

4．1 电源输出参数单因素对镁合金微弧氧化行为的影响

4．1．1 电流密度对镁合金微弧氧化行为的影晌

4．1．2 脉冲频率对镁合金微弧氧化行为的影响

4．1．3 占空比对镁合金微弧氧化行为的影响

4．1．4 氧化时间对镁合金微弧氧化行为的影响

4．2 电源输出参数正交优化试验

4．2．1 正交优化试验的设计

4．2．2 正交优化试验的数据分析

4．3 本章小结

第5章 镁合金微弧氧化电源工作模式的研究

5．1 电源工作模式对微弧氧化过程电压的影响

5．2 电源工作模式对膜层微观结构的影响

5．3 电源工作模式对膜层厚度和不均匀度的影响

5．4 电源工作模式对膜层耐蚀性的影响

5．4．1 极化曲线

5．4．2 交流阻抗谱

5．5 本章小结

第6章 镁合金碳化硅颗粒与微弧氧化技术复合膜层的研究

6．1 碳化硅浓度对微弧氧化过程中电压的影响

6．2 碳化硅浓度对微弧氧化膜层形貌的影响

6．2．1 对微弧氧化膜层表面宏观形貌的影响

6．2．2 对微弧氧化膜层表面微观形貌的影响

6．2．3 对微弧氧化膜层截面微观形貌的影响

6．3 碳化硅浓度对微弧氧化膜层厚度及不均匀度的影响

6．4 碳化硅浓度对微弧氧化膜耐蚀性的影响

6．4．1 腐蚀速率

6．4．2 极化曲线

6．5 本章小结

第7章 镁合金微弧氧化机理及膜层生长规律的探讨

7．1 微弧氧化机理

7．2 微弧氧化膜层生长规律

7．3 微弧氧化膜层表面与截面元素分析

7．3．1 单一膜层表面及截面元素分析

7．3．2 微弧氧化复合膜层表面元素分析

7．4 工艺参数对微弧氧化膜层相结构的影响

7．5 本章小结

第8章 镁合金微弧氧化单一膜层与复合膜层特性的研究

8．1 膜层宏观形貌

8．2 膜层微观形貌

8．3 膜层厚度与孔隙率

8．4 膜层相组成

8．5 膜层与基体结合强度

8．6 膜层显微硬度

8．7 膜层润湿性能

8．8 膜层耐蚀性

8．8．1 极化曲线

8．8．2 电化学阻抗谱

8．9 膜层耐磨性

8．9．1 膜层磨损表面形貌

8．9．2 膜层磨损性能

8．10 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文