镁合金表面等离子体电解氧化复合有机涂层组织及性能研究

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镁合金作为轻型金属结构材料,拥有良好的阻尼性、电磁屏蔽性、高比强度及优异的铸造性能,在军事、航空、汽车及医疗等领域有着广阔的应用前景,但较差的耐蚀性是制约其大规模应用的主要原因。表面涂覆是提高镁合金的耐蚀性的有效方法之一,然而镁合金表面活性高、涂覆困难,单一的防护手段难以满足实际工况的需求,复合涂层才是未来的主要研究方向。并且常规的涂层面临实际应用中(如碰撞、应力作用等)产生的损伤或开裂等现象不具有自修复能力,从而产生严重的局部腐蚀并导致涂层整体使用寿命缩短。因此,研究一种具有优异耐蚀性能且对损伤具有自修复能力的复合防护涂层具有重大的理论及工程意义。本文以AZ91D镁合金为研究对象,旨在镁合金表面构筑具有自修复能力的等离子体电解氧化复合涂层。首先通过真空负压负载的方法以介孔SiO2与埃洛石纳米管(HNTs)为载体对不同缓蚀剂进负载,并对HNTs进行层层自组装聚电解质包覆以实现微容器对p H的响应释放,并以一定比例引入环氧涂料内完成改性;最后通过等离子体电解氧化技术在合金表面预制多孔陶瓷层(PEO),并与改性后的环氧涂料复合得到等离子电解氧化复合涂层。通过透射式电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、热重分析仪(TGA)及紫外光分光光度计(UV)研究了不同微容器的微观形貌、物相变化、负载及释放规律;通过扫描式电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)研究了不同缓蚀剂改性后的镁合金表面形貌及成膜物相、介孔SiO2及HNTs改性后的两种复合涂层的微观形貌变化规律,并结合全浸泡腐蚀及电化学手段研究了不同缓蚀剂改性后的镁合金及两种复合涂层的耐蚀性的变化规律;最后,通过微区电化学结合电化学研究了两种复合涂层的自修复效果及机理,结论如下:三种缓蚀剂按照缓蚀效率高低依次为8-羟基喹啉(8-HQ)、2-巯基苯并噻唑(MBT)、苯并三氮唑(BTA)。其中8-HQ为成膜型缓蚀剂,在晶界处优先吸附形成螯合物双(8-羟基喹啉)镁(Mg Q2)保护镁合金,缓蚀效率高达98.4%;MBT为吸附型缓蚀剂,通过其外环S原子与N原子在合金表面吸附,改变电极反应进程并减弱腐蚀倾向,缓蚀效率可达93.6%。缓蚀剂8-HQ在介孔SiO2内的最大负载率约为16%;经介孔SiO2改性后的等离子体电解氧化复合涂层较未改性的复合涂层具有更好的耐蚀性能,电流密度(Icorr)下降1~2个数量级,随着介孔SiO2的添加量上升,其耐蚀性呈现先上升后下降的趋势,并在介孔SiO2添加量为1.2 wt.%时有最佳耐蚀性;在预制缺陷后,SiO2内的8-HQ可以释放并通过形成螯合物Mg Q2吸附于缺陷处,减弱缺陷处的腐蚀速率、腐蚀倾向,自修复效率约为缓蚀剂MBT在HNTs内的最大负载率约为5%,经层层组装改性后的HNTs具有一定的p H响应性在p H为3.0、6.5、10下的最大释放率分别为62%、10%与85%;以适量HNTs添加量改性后的等离子体电解氧化复合涂层同样具有较好的耐蚀性能,电流密度(Icorr)下降一个数量级,随着HNTs在复合涂层内添加量的上升,其耐蚀性同样呈先上升后下降的趋势,并在HNTs添加量为1.0 wt.%时综合性能最佳;在预制缺陷后,HNTs负载的缓蚀剂MBT可响应缺陷处局部腐蚀产生的p H变化而释放,减弱缺陷处的腐蚀速率、腐蚀倾向,自修复效率约为31%。
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