微弧氧化制备含稀土氧化物膜层结构及耐腐蚀性研究

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2A12铝合金在服役过程中存在的表面易腐蚀的问题是严重限制该合金进一步使用的原因之一。因此,采用合理的表面处理技术来提高2A12铝合金的耐腐蚀性能是非常必要的。本论文采用微弧氧化技术在2A12铝合金表面制备含稀土氧化物(La2O3和Nd2O3)的陶瓷膜层。由于膜层耐腐蚀性较好,因此实现了对基体的有效保护。一方面,本文利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学工作站研究了在硅酸盐-磷酸盐电解液体系下,不同浓度稀土氧化物:La2O3(0 g/L、0.4 g/L、0.8 g/L、1.2 g/L 和 1.6 g/L)和 Nd2O3(0 g/L、0.1 g/L、0.2 g/L、0.3 g/L和0.4 g/L)微粒对微弧氧化膜层生长过程、表面和截面形貌、膜层相组成和膜层性能(硬度、厚度和耐腐蚀性)的影响,并且探讨了稀土氧化物微弧氧化掺杂机理。研究结果表明:随着稀土氧化物浓度的增加(La2O3:0~1.2 g/L和Nd2O3:0~0.3 g/L),微弧氧化膜层的成膜速率逐渐增加,这是由于稀土氧化物在电场力和机械搅拌的共同作用下迁移到2A12铝合金(阳极)表面,导致膜层电阻增加,这使得微弧氧化电压增加。由于稀土氧化物被吸附到微弧氧化膜层表面形成放电中心,使得膜层表面放电更加均匀,并且,稀土氧化物与微弧氧化过程中产生的熔融物混合进入到放电通道中,使得放电通道得到填充,膜层致密性增加。膜层厚度的增加是由于微弧氧化电压增加提高了膜层成膜速率。膜层硬度的增加则是由于在膜层厚度增加的同时,膜层中形成了硬质相Al2O3和SiO2。膜层的耐腐蚀性增强,则是由于微弧氧化膜层的厚度、硬度和致密性增加后,腐蚀介质Cl-进入膜层的几率被大大降低。随着稀土氧化物浓度的进一步增加(La2O3:1.6 g/L和Nd2O3:0.4 g/L),吸附到膜层表面的稀土氧化物增多,膜层表面产生了剧烈的局部放电,使得膜层被烧蚀。因此,膜层的电阻减小,导致微弧氧化电压降低,使得膜层成膜速率、膜层的致密性、厚度和硬度降低,从而使得微弧氧化膜层的耐腐蚀性也较La2O3微粒浓度为1.2 g/L和Nd2O3微粒浓度为0.3 g/L时有所下降。XRD检测结果表明:添加La2O3的微弧氧化膜层主要由γ-Al2O3、SiO2和La2O3相组成,添加Nd2O3的微弧氧化膜层主要由α-Al2O3、γ-Al2O3和SiO2相组成。XPS检测结果验证了 XRD分析中的膜层相组成结论,并发现了在两个体系中所制备的微弧氧化膜层均含有对应的稀土氧化物(La2O3和Nd2O3),进一步验证了在2A12铝合金表面微弧氧化制备含稀土氧化物膜层的可行性。另一方面,本文对盐雾环境下,微弧氧化制备含不同浓度的稀土氧化物(La2O3和Nd2O3)膜层的表面宏观形貌和膜层主要相组成进行了分析,结果表明:通过24小时盐雾腐蚀后,2A12铝合金表面出现了明显的腐蚀现象。添加稀土氧化物微粒(La2O3:0~0.4 g/L和Nd2O3:0 g/L)时,膜层表面只出现了少量点蚀,随着稀土氧化物微粒浓度的增加(La2O3:0.8~1.6 g/L和Nd2O3:0.1~0.4 g/L),微弧氧化膜层并未出现明显的腐蚀现象,这是由于含有该浓度稀土氧化物的微弧氧化膜层,其厚度和致密性均较大,并且在腐蚀过程中产生的Al(OH)3、Al2O3·H2O和AlCl3覆盖在膜层表面和填充在放电通道内,从而进一步降低了腐蚀介质Cl-渗入膜层的几率,减轻了Cl-膜层的腐蚀。
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