论文部分内容阅读
镁锂合金具有良好的综合性能，是部件轻量化理想材料。耐腐蚀、耐磨性能差是制约镁锂合金应用的主要因素。对镁锂合金表面处理是改善其性能的最佳方法。采用微弧氧化处理提高镁锂合金的性能，对增强国家的航天航空水平，军事实力及在电子、汽车等工业领域的竞争力有重大意义。本文采用优化的微弧氧化（MAO）工艺，对镁锂合金进行表面处理，选择不同添加剂来提高涂层生长速率，改善涂层组织结构，获得了以植酸为添加剂制备的耐蚀、耐磨性能优异的涂层。利用TEM、AFM、SEM、EDS、XRD、XPS等手段分析微弧氧化涂层的微观组织和相成分，利用数码影像技术分析放电微弧形态，探讨微弧氧化涂层形成过程。采用动态极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）研究合金及微弧氧化涂层的耐蚀性能、涂层的阻抗变化及腐蚀机理；采用球-盘式磨损试验机测试涂层的摩擦磨损性能。通过研究Mg-7Li合金微弧氧化电解液中硅酸钠浓度以及电参数对涂层结构的影响来优化微弧氧化工艺参数，结果表明：当硅酸钠浓度由10g/L提高至30g/L，微弧氧化涂层厚度由8μm增加到23μm。随着电压、占空比和时间的增加，涂层的生长速度加快，涂层厚度增大，微孔数量减少，表面变得粗糙；频率的升高则降低涂层厚度，使表面平整。硅酸钠电解液制备的微弧氧化涂层主要由MgO、Li2O2和Mg2SiO4组成。硅酸钠体系最佳微弧氧化工艺参数为：恒压方式，硅酸钠浓度15～20g/L、电压400～450V、时间30min、频率200～400Hz、占空比10～15%。为提高涂层厚度、调整涂层的组织结构，优化涂层耐蚀和耐磨性能，通过加入柠檬酸钠、硼酸钠、钨酸钠、氟化钠及植酸(C6H18O24P6)等添加剂研究微弧氧化涂层组织结构变化，结果表明：添加剂的加入均能提高涂层的厚度，降低涂层表面微孔数量，其中植酸添加剂的加入使涂层最大厚度达27μm。植酸的螯合作用吸附Mg2+、Li+等离子形成链状结构，提高涂层生长速率。微弧放电状态影响涂层生长过程，对普通数码影像分析结果表明：随着硅酸钠浓度、电源电压、加电时间的增加以及添加剂的加入，放电微弧数量减少，微弧发生合并，微弧直径变粗。高速影像分析表明：硅酸钠电解质溶液中，一个脉冲周期内，同一位置的放电击穿持续到脉冲结束；不同的脉冲周期中，放电击穿反复在同一位置进行，其断续时间达160ms；电压的升高加快了放电击穿位置的迁移；硼酸钠和1.5mL/L植酸添加剂的加入，促进放电击穿位置的快速迁移，而氟化钠和3mL/L植酸的加入使放电击穿反复在同一位置且断续时间增加。植酸的加入，使放电反复击穿断续时间达220ms。通过对镁锂合金微弧氧化涂层组织结构、相组成及元素结合能分析，结合放电微弧形态，得出微弧氧化涂层生长过程为：镁锂合金表面形成双电层；产生微弧等离子放电；发生高温高压化合反应；内部隐弧持续放电；溶液对熔融物冷淬形成涂层。极化曲线及阻抗谱是评价镁锂合金耐蚀性能优劣的依据。对Mg-7Li合金及其微弧氧化涂层在3.5wt.%NaCl溶液中的极化曲线和阻抗进行研究，结果表明： Mg-7Li合金的腐蚀电极电位和腐蚀电流密度分别为-1.5857V和2.235×10-4A/cm2。Mg-7Li合金在3.5%NaCl溶液中最大阻抗值为250ohm·cm2。不同硅酸钠浓度和不同添加剂制备的微弧氧化涂层的腐蚀电极电位相对于基体均有所提高，腐蚀电流密度相对于基体均降低。其中，添加3mL/L C6H18O24P6的涂层腐蚀电极电位为-1.4761V，比基体合金正移了109.6mV，腐蚀电流密度为7.204×10-7A·cm-2，比基体合金降低3个数量级。硅酸钠系微弧氧化涂层在3.5%NaCl溶液中稳定0.5h后的阻抗值比基体阻抗值提高10倍以上；植酸-硅酸钠系微弧氧化涂层的阻抗值达到10050ohm·cm2。对合金基体和植酸-硅酸钠系微弧氧化涂层在3.5%NaCl溶液浸泡2～120h阻抗测试表明，随着浸泡时间延长，合金基体阻抗值越来越小，浸泡120h后阻抗值为70ohm·cm2，基体被腐蚀为粉末。微弧氧化涂层浸泡初期还能保持15倍于基体的阻抗，120h后仍维持300ohm·cm2。对极化曲线、阻抗谱及等效电路模型拟合的研究表明：有微弧氧化涂层合金的腐蚀机理为腐蚀溶液微孔渗透促溶。涂层腐蚀过程为溶液渗入涂层微孔—Cl-优先吸附于涂层—形成可溶性氯盐—涂层脱落—全面腐蚀。研究干摩擦磨损试验条件下Mg-7Li合金和表面微弧氧化涂层摩擦磨损性能，结果表明：Mg-7Li合金的摩擦系数保持在0.08～0.20。合金经微弧氧化处理后，涂层的摩擦系数相对于合金基体均降低，耐摩擦磨损性能显著提高。随着电解液中硅酸钠量增加，摩擦系数增大，并出现宽幅跳动。有添加剂的微弧氧化涂层摩擦系数小于0.15，比20g/L硅酸钠系微弧氧化涂层摩擦系数低。Mg-7Li合金微弧氧化涂层的摩擦磨损机理为：多孔涂层表面冲击振动—涂层微凸体磨损或断裂—涂层、脱落体与对磨物间磨粒磨损的反复作用。