电参数、电解液及其交互作用对微弧氧化膜微观结构及耐蚀性的影响

摘要

微弧氧化膜是利用微弧氧化技术在镁、铝、钛及其合金表面原位生成的一层陶瓷质氧化膜，此膜层结构致密、耐蚀性好且与基体结合紧密。目前，针对微弧氧化成膜影响较为重要的电参数和电解液，众多学者进行了大量的研究并取得了显著的科研成果。但是，随着研究的不断拓展和深入，电参数和电解液对微弧氧化膜层微观结构和耐蚀性影响的研究结论出现了差异。这是因为多数研究是采用单一因素作为变量进行的，而微弧氧化膜层是多因素综合作用的结果，因素间可能存有不可忽略的交互作用。本文将电参数间的、电解液组分间的、电参数和电解液间的交互作用纳入实验设计，着重探究因素及其交互作用影响膜层微观结构及耐蚀性的机理，并最大程度地优化因素间搭配方案，为制得耐蚀性能更为优异的微弧氧化膜提供理论依据。　　首先制备两种具有典型微观结构的微弧氧化膜层，并研究这两种膜层分别在HNO3介质和NaCl介质中的腐蚀特点。结果表明，膜层在HNO3和NaCl介质中的腐蚀特点不同。膜层在HNO3介质中的腐蚀特点以消耗性为主，主要是与腐蚀介质发生了化学反应而被消耗，进而基体遭到了破坏，故膜层较大的厚度将对抵御腐蚀介质的侵蚀做出主要贡献。膜层在NaCl介质中的腐蚀特点以渗透性的为主，腐蚀介质主要是通过膜层中较大微孔和微裂纹等缺陷渗透膜层，侵蚀基体，因此膜层的致密性将对其耐蚀性发挥主要作用。这为深入研究电参数、电解液及其交互作用影响膜层微观结构及耐蚀性的机理提供了依据。　　在电解液中加入钒元素含量相同的V2O5和NaVO3后，膜层厚度均稍有减小，膜层在HNO3介质中的耐蚀性因总厚度较薄也都有所降低，但在NaCl介质中的耐蚀性因膜层致密性增加而得以提高，且二者的添加量皆为最少时膜层耐蚀性最佳。同时相比钒含量相同的V2O5，加入NaVO3的性价比更高。　　本论文中的正交实验设计是研究电参数间、电解液组分间、电参数和电解液间交互作用的关键所在。结果表明这些因素不仅独立地影响膜层，而且其交互作用也显著地影响膜层，但因素间的交互作用机制不同。　　1）电压、频率和占空比等电参数间的交互作用，提高了微弧氧化反应速率的同时，又延长了微弧氧化时间，显著增加了生成物的含量和膜层厚度。但同时也导致了击穿放电强度的增加、击穿反应产生的能量和热量的集中，致使膜层微孔孔径增大、微裂纹产生、膜层结构变得疏松。因此，高电压、低频率和大占空比搭配下，制得的膜层最厚，膜层在HNO3介质中的耐蚀性最好；反之，低电压，高频率和小占空比搭配时，获得的膜层最致密，膜层在NaCl介质中的耐蚀性最佳。　　2）电解液中小粒径TiC在电场作用下更易向阳极迁移，而分散剂PEG6000和阴离子表面活性剂SDS间的交互作用在防止这些小粒径TiC絮凝的同时，也增加了其表面的负电荷量，进而显著增多了膜层中TiC耐蚀物相含量，且在一定程度上改善了膜层的致密性。因此，向电解液中添加小粒径Ti C的同时，添加PEG6000和SDS，能最大程度地改善膜层在NaCl介质中的耐蚀性能。　　3）电参数中的电压与电解液组分（K2ZrF6和EDTA-Na）间的交互作用，不仅增加了放电通道中生成物的量，还减少了放电通道中这些物质的喷射量，使更多的物质沉积于放电通道中，减小微孔孔径，降低表面孔隙率，改善膜层致密性，同时也增加了膜厚和ZrO2耐蚀物相的含量。因此，高浓度的K2ZrF6、高浓度的EDTA-Na和高电压搭配时，膜层结构最为致密，膜层较厚，ZrO2物相含量较多，膜层综合性能最佳。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 微弧氧化概述

1.2.1 微弧氧化技术的产生和发展

1.2.2 微弧氧化成膜原理、成膜过程及膜层特点

1.3 微弧氧化工艺参数研究

1.3.1 电源模式及电参数

1.3.2 电解液

1.3.3 处理时间

1.4 交互作用

1.5 本论文研究意义和主要研究内容

第2章 微弧氧化膜在HNO3和NaCl两种介质中的腐蚀特点

2.1 实验方法

2.1.1 微弧氧化膜层的制备

2.1.2 膜层微观结构及耐蚀性能检测

2.1.3 膜层微观组织结构特征参量

2.2 结果与讨论

2.2.1 膜层表面和截面形貌

2.2.2 膜层相组成

2.2.3 膜层在HNO3和NaCl介质中的耐蚀性能

2.2.4 膜层在HNO3和NaCl介质中腐蚀之后的微观形貌

2.2.5 膜层在HNO3和NaCl介质中的腐蚀特点

2.3 小结

第3章 电压、频率、占空比及其交互作用对纯铝微弧氧化膜微观结构和耐蚀性的影响

3.1 实验方法

3.1.1 基于正交实验制备膜层

3.1.2 膜层微观结构及耐蚀性能检测

3.2 实验结果

3.2.1 电流-时间曲线

3.2.2 正交实验结果与分析

3.2.3 膜层表面和截面形貌

3.2.4 膜层相组成

3.3 讨论

3.4 小结

第4章 V2O5和NaVO3对镁合金微弧氧化膜微观结构和耐蚀性的影响

4.1 实验方法

4.1.1 膜层制备

4.1.2 膜层微观结构和耐蚀性能检测

4.2 结果与讨论

4.2.1 膜层宏观形貌

4.2.2 膜层厚度

4.2.3 膜层表面及截面形貌

4.2.4 膜层相组成

4.2.5 膜层耐蚀性能

4.3 小结

第5章 TiC、PEG6000和SDS及其交互作用对镁合金微弧氧化膜微观结构和耐蚀性的影响

5.1 实验方法

5.1.1 基于正交实验制备膜层

5.1.2 膜层微观结构及耐蚀性检测

5.2 实验结果

5.2.1 不同电解液中TiC颗粒表面Zeta电位及粒径

5.2.2 膜层宏观形貌

5.2.3 膜层元素及相组成

5.2.4 正交实验结果与分析

5.2.5 膜层表面和截面形貌

5.2.6 膜层耐蚀性

5.3 讨论

5.4 小结

第6章 K2ZrF6、EDTA-Na和电压及其交互作用对镁合金微弧氧化膜微观结构和耐蚀性的影响

6.1 实验方法

6.1.1 基于正交实验制备微弧氧化膜层

6.1.2 膜层微观结构及耐蚀性能表征

6.2 实验结果

6.2.1 电压-时间曲线和电流-时间曲线

6.2.2 正交实验结果与分析

6.2.3 膜层表面形貌和表面微孔

6.2.4 膜层截面形貌

6.2.5 膜层元素及相组成

6.3 讨论

6.4 小结

本文结论

本文创新点

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表论文及研究成果