交变方法电源制备AZ91D微弧氧化膜及其稳定性和失效过程研究

摘要

采用自制恒压交变方波电源在镁合金AZ91D表面制备高耐蚀微弧氧化膜，并用正交实验法研究了交流方波电源参数（包括电压，频率和占空比等）对微弧氧化膜的厚度，微观形貌和结构的影响。研究结果表明交变方波电源的电压、频率和占空比对镁合金AZ91D微弧氧化膜的厚度、表面形貌、微观结构和电化学阻抗谱都有一定的影响。微弧氧化膜的厚度和孔隙率随电压和占空比的升高而增大，而频率的影响则相反。微弧氧化膜的耐腐蚀性随氧化膜厚度的增加而提高，但又随氧化膜孔隙率的增加而降低，所以氧化时所采用的电压和占空比存在最佳值。
　　应用傅里叶变换显微红外成像技术研究了镁合金微弧氧化膜中Mg(OH)2的形成和转变过程。微弧氧化膜中的Mg(OH)2伴随着火花放电而产生，当微弧氧化用电极表面没有火花放电时，氧化膜中没有Mg(OH)2。Mg(OH)2的含量和分布与火花放电的强度和位置有关，而火花放电的强度和位置与施加的电压有关。氯离子可以吸附在微弧氧化膜的表面，将不溶性的Mg(OH)2转变成可溶性的MgCl2。同时，在水溶液中，Mg(OH)2比MgO稳定，氧化膜中的MgO也会不断的转变成Mg(OH)2。由于MgO的转变和Mg(OH)2的不断溶解，促使本来被覆盖的微孔和微观裂缝逐渐暴露出来，电解液经由这些通道与镁合金基体接触，从而引起镁合金基体的腐蚀，氧化膜防护性能降低。
　　覆有微弧氧化膜的AZ91D在NaCl水溶液中的极化曲线表观形式不仅受到微弧氧化膜组分和结构的影响，而且也受到各种测试条件的影响，如氯离子的浓度，电解液的pH值，阴极极化度和样品的暴露面积等。在测量过程中，这些实验条件会引起微弧氧化膜组分和结构的变化。在NaCl溶液中，对于覆有微弧氧化膜的AZ91D来说，阴、阳极反应的速率控制步骤分别为传质步骤和电荷转移步骤。由于在测量过程中传质的影响无法忽略，所以用Tafel外推法从极化曲线上拟合出来的腐蚀电流Icorr不能准确反映腐蚀速率，误差难以避免。
　　由于微弧氧化膜本身多孔，且有些孔直接与基体相连，腐蚀介质可以通过这些孔与镁合金基体接触，使覆有微弧氧化膜的镁合金局部表现出一定的活性。扫描电化学显微镜(SECM)可以原位检测到这些具有活性的微小区域及其变化。实验结果表明，微弧氧化膜表面的活性点或者活性区域的大小和分布与其本身的结构有关，当膜较厚且多孔时，一般表现为部分活性点的孕育、产生和发展;而当膜较薄时，表现为少量的活性点和大片的活性区域共存。由于氯离子对微弧氧化膜在水溶液中的稳定性有一定的影响，所以氧化膜中活性点的孕育、产生和发展也受到氯离子的影响。EIS和SECM实验结果表明，覆有微弧氧化膜的AZ91D镁合金的宏观电化学行为与其微观电化学行为具有良好相关性。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 镁及镁合金简介

1．1．1 镁合金的组成及性能

1．1．2 镁合金的应用

1．2 镁合金的防护

1．2．1 环境调整

1．2．2 表面清洗

1．2．3 表面调制

1．2．4 金属层

1．2．5 表面转化

1．2．6 非金属表面涂层

1．2．7 复合涂层

1．3 镁合金的微弧氧化

1．3．1 微弧氧化的电源类型

1．3．2 电源参数对微弧氧化膜性能的影响

1．3．3 电解液成分对微弧氧化膜性能的影响

1．3．4 镁合金基体对微弧氧化膜性能的影响

1．3．5 镁合金阳极氧化机理

1．3．6 微弧氧化膜的其它性能

1．4 显微红外成像技术简介

1．4．1 显微红外的两种成像模式

1．4．2 显微红外成像的采样模式

1．4．3 显徽红外成像图的基本分析过程

1．4．4 显微红外成像技术的应用

1．5 扫描电化学显微镜(SECM)简介

1．5．1 扫描电化学显徽镜(SECM)的基本原理

1．5．2 扫描电化学显徽镜(SECM)的应用领域

1．6 本论文的研究目的和意义

参考文献

第二章 实验部分

2．1 实验材料

2．1．1 镁合金微弧氧化用实验材料

2．1．2 扫描电化学显微镜测试用化学试剂

2．2 材料测试方法

2．2．1 表面形貌分析(SEM)

2．2．2 成分分析(XRD)

2．2．3 厚度测试

2．2．4 电化学测试

2．2．5 扫描电化学显微镜(SECM)

2．2．6 显微红外光谱(FTIR Microspectroscopy)

参考文献

第三章 交变方波电源参数对微弧氧化膜的影响

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 实验装置

3．2．2 交变方波电源波形

3．2．3 正交实验的水平和因素

3．3 结果与讨论

3．3．1 交变方波电源参数对微弧氧化膜成分的影响

3．3．2 交变方波电源参数对微弧氧化膜厚度的影响

3．3．3 交变方波电源参数对微弧氧化膜EIS的影响

3．3．4 交变方渡电源参数对微弧氧化膜表面形貌的影响

3．3．5 交变方波电源参数对微弧氧化膜结构的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 微弧氧化膜主要成分的形成和转变

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 微弧氧化膜的组成

4．2．2 微弧氧化膜的红外谱图

4．2．3 微弧氧化膜中Mg(OH)2的生成

4．2．4 微弧氧化膜中Mg(OH)2在电板表面上的分布

4．2．5 浸泡时阍对微弧氧化膜形貌的影响

4．2．6 浸泡时间对氧化膜表面MgO的影响

4．2．7 浸泡时间对氧化膜表面氧元素分布的影响

4．2．8 浸泡时间对氧化膜表面Mg(OH)2分布的影响

4．2．9 电解液pH值对氧化膜表面Mg(OH)2分布的影响

4．3 本章小结

参考文献

第五章 微弧氧化膜在水溶液中的极化行为

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 微弧氧化膜结构的影响

5．2．2 氯离子和pH值的影响

5．2．3 阴极极化度的影响

5．2．4 样品暴露面积的影响

5．3 讨论

5．3．1 镁合金AZ91D微弧氧化膜的转变

5．3．2 转变模型

5．3．3 速率控制步骤

5．3．4 极化曲线解构

5．4 本章小结

参考文献

第六章 微弧氧化膜在水溶液中的微观电化学行为

6．1 引言

6．2 实验

6．2．1 样品制备

6．2．2 SECM测试

6．3 实验结果

6．3．1 探针CV曲线和逼近曲线

6．3．2 微弧氧化膜在溶液中的电化学阻抗谱(EIS)

6．3．3 微弧氧化膜活性点的产生及发展

6．3．4 微弧氧化膜人为缺陷在水溶液中的变化

6．4 讨论

6．5 本章小结

参考文献

第七章 总结与展望

博士期间发表的论文

致谢