【摘 要】
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镁合金具有密度小、比强度高、比刚度高、导热性强等优点,被广泛应用于汽车产业、航空航天、电子产品等多个领域。但镁合金耐腐蚀性能差,严重限制了其广泛应用。本文采用磁控溅射法在镁合金表面制备微米级Ti单层薄膜与TiN/TiO2复合薄膜。通过对薄膜形貌、物相、结构及化学成分进行分析,探讨制备工艺对于薄膜微观组织结构的影响规律;研究薄膜的微观组织结构及力学性能与薄膜耐腐蚀性能的对应关系,建立了微观组织结构-
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镁合金具有密度小、比强度高、比刚度高、导热性强等优点,被广泛应用于汽车产业、航空航天、电子产品等多个领域。但镁合金耐腐蚀性能差,严重限制了其广泛应用。本文采用磁控溅射法在镁合金表面制备微米级Ti单层薄膜与TiN/TiO2复合薄膜。通过对薄膜形貌、物相、结构及化学成分进行分析,探讨制备工艺对于薄膜微观组织结构的影响规律;研究薄膜的微观组织结构及力学性能与薄膜耐腐蚀性能的对应关系,建立了微观组织结构-力学性能/腐蚀性能关联,并探讨了金属单层薄膜和复合薄膜的防护作用下AZ31镁合金的腐蚀机制。主要研究结论如下:（1）磁控溅射技术能在AZ31镁合金表面沉积微米级Ti薄膜（1～2μm）。薄膜在表面能形成均匀致密的覆盖,界面结合良好;随着溅射时间的增加,Ti薄膜厚度增加,薄膜致密性增加,表面粗糙度下降。Ti薄膜对表面硬度有小幅度提高,但对杨氏模量、柔度值等力学性能的改变不明显;耐磨性能有所提升。镀膜前后腐蚀模式典型的金属腐蚀模式,镀膜后腐蚀均匀性增加;镀膜后腐蚀电位由-1.621V提升到最高-1.112V,腐蚀电流从61.70μA/cm~2降至2.03μA/cm~2。微米级Ti薄膜在AZ31镁合金表面形成了致密均匀防护,在腐蚀初期避免了基体与腐蚀介质的直接接触,提高腐蚀介质在表面分布的均匀性;在腐蚀中期腐蚀产物在表面发生堆积,同时腐蚀产物致密性较差,腐蚀介质侵入与镁发生腐蚀反应,腐蚀加剧;腐蚀后期,腐蚀不均性现象加剧,腐蚀应力集中导致腐蚀层开裂及局部剥落,腐蚀速率加快;微米级的Ti膜能很好提高腐蚀早期均匀性,但基本腐蚀模式仍具有金属材料腐蚀的典型特征,对腐蚀电流密度仅降低一个数量级。（2）磁控溅射加原位氧化能在AZ31镁合金表面得到微米级TiN/TiO2复合薄膜。TiN/TiO2复合薄膜为层间复合结构,薄膜表面均平整致密且无明显空隙与裂纹,相比原位氧化前的TiN薄膜表面更为致密、粗糙度下降;复合薄膜与基体结合紧密。TiN/TiO2能小幅提升硬度、杨氏模量、柔度值等力学性能;并明显提升耐磨性能。TiN/TiO2复合薄膜使得腐蚀模式变为Rs（CPE2（Rf（CPE1Rct）））,同时明显提升了腐蚀均匀性;自腐蚀电位提升至-1.272V,腐蚀电流密度减小到0.974μA/cm~2。微米级TiN/TiO2薄膜在AZ31镁合金表面形成了致密均匀防护,在腐蚀初期避免了基体与腐蚀介质的直接接触,提高腐蚀介质在表面分布的均匀性;在腐蚀中期表面的TiO2膜层开始发生消耗,而底层TiN膜层开始逐渐转变为TiO2对薄膜顶层TiO2有所补充,且复合膜在腐蚀过程中始终与镁合金保持良好的界面结合,腐蚀较为缓慢;腐蚀晚期,当复合膜消耗殆尽,镁合金基体参与腐蚀,腐蚀均匀性下降,腐蚀应力集中导致腐蚀层开裂及局部剥落,腐蚀速率加剧;微米级的TiN/TiO2能很好提高腐蚀早期和中期均匀性,TiN对TiO2有一定的自修复作用,相比单层金属薄膜Ti腐蚀性能的提升更为明显。
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