镁合金表面新型等离子体电解氧化涂层组织及性能研究

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镁合金作为轻质型结构材料,因其较高的比强度、比刚度和良好的机械加工性、生物相容性而得到广泛的应用。但镁合金的耐蚀性较差,使用过程中通常需要防护层的保护,然而涂层在恶劣服役条件下不可避免会发生破损,导致腐蚀从涂层破损处萌生,加速镁合金的失效,传统防护涂层不具备自修复性能,因此研究适用于镁合金表面可释放缓蚀剂的自修复涂层具有一定的工程和科学应用价值。本文以AZ91D合金为研究对象,通过在不同缓蚀剂溶液中的浸泡试验,研究了不同缓蚀剂在镁合金表面的成膜机制,在此基础上通过真空浸渍无机缓蚀剂改性等离子体电解氧化(PEO)涂层以及负载8-羟基喹啉(8HQ)的介孔二氧化硅改性等离子体电解氧化涂层两种方法实现了镁合金表面自修复涂层的制备,并研究了缓蚀剂对PEO陶瓷层耐蚀性和自修复性的影响以及涂层的自修复机理。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及X射线光电子能谱分析(XPS)研究了不同缓蚀剂浸泡后镁合金表面形貌、真空浸渍无机缓蚀剂及负载8HQ的介孔二氧化硅对PEO涂层微观组织及物相的影响;通过电化学测试手段结合浸泡实验研究了不同缓蚀剂浸泡后镁合金表面耐蚀性变化规律、真空浸渍无机缓蚀剂及负8HQ的介孔二氧化硅对PEO陶瓷层耐蚀性的影响。通过微区电化学研究了改性后PEO陶瓷层自修复效率及自修复机理。结论如下:论文研究了不同缓蚀剂在镁合金表面的成膜机制。偏钒酸钠(NaVO3)、磷酸钠(Na3PO4)、锡酸钠(Na2SnO3)和8-羟基喹啉(8HQ)在镁合金表面分别生成MgVO3、Mg3(PO4)2、MgSnO3·3H2O和Mg(HQ)2保护性膜层;钨酸钠(Na2WO4)作为吸附性缓蚀剂,水解产生的WO42-、[W7024]6-、[W10O34]4-和腐蚀性Cl-发生竞争吸附,一定程度的起到了保护基体的作用。偏钒酸钠具有更好的缓释效果,较高的缓蚀效果来自于所形成的产物膜MgVO3的完整性。在此基础上,通过等离子体电解氧化技术在镁合金表面预制多孔陶瓷层,然后利用真空浸渍无机缓蚀剂的方式对PEO陶瓷层进行改性。PEO陶瓷层主要由MgO、Al2O3和Mg2Sn构成,不同缓蚀剂NaVO3、Na3PO4、Na2WO4和Na2SnO3改性后的PEO陶瓷层表面分别形成片层状、聚集颗粒状、细长针状和细小颗粒状的结晶盐组织。无机缓蚀剂改性后的PEO陶瓷层自腐蚀电位均正移,自腐蚀电流密度减小,耐蚀性提高,其中偏钒酸钠和钨酸钠改性后的PEO陶瓷层自腐蚀电流密度分别为2.768·10-8A·cm-2和2.548·10-8 A·cm-2,自腐蚀电流密度较低,耐蚀性较好。与此同时,通过介孔二氧化硅负载8-羟基喹啉对等离子体电解氧化陶瓷层进行改性。改性后的PEO陶瓷层表面放电微孔孔径减小至约2-3 μm,阻抗拟合后弥散系数增加到0.8814,表面更加均匀。改性后的PEO陶瓷层自腐蚀电流密度较未改性陶瓷层降低两个数量级,为1.8887·10-7A·cm-2,表现出良好的耐蚀。通过微区电化学的手段研究了缓蚀剂改性的PEO陶瓷层自修复性能。改性后的PEO陶瓷层缺陷处未见明显腐蚀坑和腐蚀产物的产生,缓蚀剂的引入起到了抑制涂层缺陷处腐蚀的作用。改性后的PEO陶瓷层缺陷处与陶瓷层表面之间电势差减小,其中磷酸钠改性后的PEO陶瓷层缺陷处与陶瓷层表面电势差最小为0.115V,自修复效率最高,为73.86%。负载8-羟基喹啉的介孔二氧化硅改性后的PEO陶瓷层缺陷处与陶瓷层之间电势差为0.28V,自修复效率为36.36%。
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