复合电解液中镁合金微弧氧化复合膜层制备及特性研究

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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5 mL/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。
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