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镁合金阳极氧化/SNAP复合工艺及涂层耐蚀性的研究

郭兴华  
【摘要】: 镁及其合金广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。但是,镁是高活性金属,耐蚀性较差,一般在使用前必须进行表面处理。本文将纳米自组装颗粒(SNAP)溶胶工艺和阳极氧化工艺相结合,在AZ31B镁合金表面制备了阳极氧化/SNAP复合涂层。该复合涂层不但弥补了多孔阳极氧化膜的不足,而且涂层厚度、致密性、耐蚀性和结合强度等都有大幅提高,非常适合镁合金的腐蚀防护。 开发了镁合金无铬、无氟、无磷的阳极氧化新工艺,采用恒电流法在AZ31B镁合金表面制备阳极氧化膜。通过系统的工艺研究,确定了镁合金阳极氧化的最优电解液组成及工艺条件:氢氧化钾60g/L,硅酸钠70g/L,四硼酸钠60g/L,碳酸钠30g/L,苯并三氮唑(BTA)5g/L,电流密度1.5A/dm2,氧化时间10min。 采用SEM、EDS、XRD和XPS等测试手段研究了阳极氧化膜的结构、组成及状态,探讨了苯并三氮唑(BTA)对氧化膜的影响。研究结果表明:氧化膜主要由内部的紧密层和外部的疏松层组成,氧化膜的主要组成元素为Mg、O、Si,相组分为Mg2SiO4及MgO;BTA的添加能有效地降低氧化膜的孔隙率,提高氧化膜的致密性。研究了电解液组成、工艺条件、BTA对阳极氧化过程、氧化膜性能、氧化膜结构的影响,发现镁合金阳极氧化膜的生长过程主要由镁合金阳极溶解和表面钝化、氧化膜初始生长、快速生长和生长平衡等4个阶段组成。 以3-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)和正硅酸乙酯基硅烷(TEOS)作为前驱体、三乙烯四胺(TETA)作为交联剂,通过水解和交联反应形成SNAP溶胶。研究了有机硅烷前驱体、水、乙醇、TETA等的含量以及烧结温度和时间等因素对镁合金SNAP涂层耐蚀性的影响,确定的镁合金SNAP防护涂层的最佳制备工艺为:SNAP溶胶组成n(GPTMS):n(TEOS):n(C2H5OH):n(H2O):n(TETA)=3:1:0.25:15:0.5(摩尔比),提拉速率1mm/s,提拉次数2次,烧结温度100℃,烧结时间30min。 通过TEM和分子动力学模拟研究了SNAP溶胶的形成过程,发现由水解反应生成的纳米溶胶粒子可以在SNAP溶胶中稳定存在3~4个月,而且前驱体在水解反应中的过渡态能量较低,有利于水解反应的进行;在交联反应中,纳米粒子在TETA作用下形成了巨大的网状Si-O-Si结构,而且GPTMS的环氧基团先与TETA分子中2号位(从左到右)的N原子发生反应的几率较大,之后与1号位的N原子发生反应的几率较大。SNAP溶胶热分解反应动力学研究表明:TETA的添加可以增大SNAP溶胶的活化能,有利于提高SNAP涂层的热稳定性。镁合金SNAP涂层形成机理研究表明,SNAP涂层中Si-O-Si网络结构交联程度愈大、无机物含量愈高,SNAP涂层/镁基体界面上的Mg-O-Si键分布密度愈广,SNAP涂层的热稳定性、致密性、耐蚀性就愈好。 在镁合金阳极氧化工艺和SNAP涂覆工艺的基础上,制备了镁合金阳极氧化/SNAP复合涂层。复合涂层主要由外部的SL层(由SNAP涂层和阳极氧化膜的疏松层构成)和内部的紧密层组成,其中SL层致密性好、厚度较大;紧密层紧靠镁合金基体,其厚度较薄,有较好的致密性。EIS研究表明,由于SL层依靠其厚度大、致密性好等优势,在浸泡的前期、中期对镁合金基体的腐蚀防护起主导作用;紧密层则依靠其“有限恢复能力”和更好的致密性,在浸泡中期、后期起主导作用。 阳极氧化/SNAP复合涂层具有良好的耐蚀性,可满足镁合金腐蚀防护的需要。


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