镁合金仿生超疏水涂层的构建及耐腐蚀性研究

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镁合金作为最轻的工程金属材料,具有高阻尼性、良好导热性、高比刚度和比强度、回收利用率高以及抗电磁干扰等优异性能。因此,镁合金在航空航天、汽车工业、电子通讯等领域具有巨大的应用前景。然而,镁及镁合金化学活性高,表面氧化膜疏松,导致镁合金的耐腐蚀性能较差。针对上述关键问题,本文以Mg–Al–Zn/Sn系合金为研究对象,通过镁合金组织调控及表面处理两方面来提高镁合金的耐腐蚀性能,进一步拓展镁合金在实际生产上的应用。研究了变形、热处理工艺对镁合金力学性能和耐腐蚀性能的影响规律;同时结合激光加工、化学刻蚀处理在镁合金表面构建粘附力可控的超疏水表面并研究其腐蚀机理。采用喷涂法制备了具有优异综合性能的超疏水涂层,探究了涂层长期电化学腐蚀行为及机理,主要结论归纳如下:(1)研究了AZ31挤压镁合金板材轧制退火后力学性能和腐蚀行为,发现合金组织明显细化、内部位错密度小以及相对较弱的织构强度,最终合金极限抗拉强度(UTS)从232 MPa增加到273 MPa,屈服强度(YS)从124 MPa增加到205 MPa,断裂伸长率(FE)从12.5%提高到26.4%。(2)基于AZ31镁合金板材轧制退火组织演变后静态腐蚀和电化学腐蚀行为研究,发现板材的平均腐蚀速率从2.35 mmy-1降低到1.05 mmy-1。极化曲线拟合得腐蚀电流密度(icorr)从2.49?10-4 A?cm-2降低到3.21?10-5 A?cm-2,接近1个数量级;侵蚀电势(Ecorr)从-1.552 V(vs.SCE)上升到-1.491 V(vs.SCE)。为同时提高镁合金的力学性能与耐腐蚀性能提供理论依据。(3)采用激光加工和化学蚀刻结合的方法成功在AZ31镁合金上制备了超疏水表面,最大CAs可达158.2°。通过精确调整激光加工参数来调控表面微结构,实现了超疏水表面水滴从低粘附状态(Cassie模型)转变到高粘附状态(Wenzel模型)。动电位极化曲线结果表明:超疏水表面的腐蚀电流密度icorr与基体AZ31镁合金相比从5.63×10-4 cm-2降低到6.55×10-5 cm-2,接近1个数量级,Cassie状态与Wenzel状态相比,腐蚀电势Ecorr向更积极的方向移动。揭示了表面处理同样可以提高镁合金的耐腐蚀性能,实现了通过控制液滴的粘附来控制超疏水微结构镁合金表面的耐蚀性。同时pH在4-14的范围内、暴露在空气中1个月表面依然保持超疏水特性。(4)采用一步喷涂法在镁合金表面制备了强健、可修复以及耐腐蚀的超疏水涂层,水滴接触角CAs达到159.5°,滑动角SAs为3.8°。表面改性纳米SiO2粒子填料对表面粗糙度的构建至关重要,使Ra从16.1 nm提高到35.2 nm。超疏水涂层具有优异的综合性能,沸水中浸泡2 h、液氮浸泡1 h、紫外光照射48 h、暴露于强酸强碱溶液等恶劣的条件下仍然保持良好的表面润湿性。此外,涂层可以抵抗多种机械耐久性实验,如刀刮后胶带剥离实验、砂纸磨擦100次循环等。镁合金超疏水涂层在空气、油中均表现出优异的自清洗性能。涂层对O2等离子体蚀刻具有良好的可修复循环能力,循环次数高达18次。(5)超疏水涂层长期浸泡电化学腐蚀行为及抗老化实验结果表明,超疏水涂层样品的腐蚀电流密度icorr比基体镁合金降低了?2个数量级,涂层腐蚀抑制效率ηp可达98.9%。在3.5%wt%NaCl溶液中浸泡14天以后,涂层表面CAs仍在135°以上,电化学阻抗模量(|Z|)仍明显高于基体镁合金,表明涂层可以抵抗较长时间的腐蚀液体的侵蚀。良好的耐腐蚀性能结合超疏水涂层具有的其他综合性能,有利于拓展镁合金的实际应用领域、延长工件使役寿命。总之,本文研究了合金组织演变与表面处理对腐蚀行为影响,建立了同时提升力学性能与耐腐蚀性能的作用机制;通过结合激光加工、化学刻蚀和表面修饰等方法,构建了粘附力可控的超疏水表面并研究其对耐腐蚀性能的影响机理。提出了喷涂法制备具有机械耐久性、化学和耐腐蚀稳定性等优异综合性能的无氟超疏水涂层,为拓展超疏水镁合金表面的应用领域实现结构功能一体化提供了新的思路。
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