AZ91D鎂合金微弧氧化ZrO-,2--Y-,2-O-,3-復合陶瓷膜層的制備、表征及性能研究.pdf

1、鎂合金具有許多優(yōu)良的物理和力學性能，在航空航天、汽車制造、電子通訊、軍事及核能等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，鎂合金的耐蝕、耐熱及耐磨性能較差，嚴重阻礙了其進一步應(yīng)用。微弧氧化（MAO）是在普通陽極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種表面處理新技術(shù)，因能在Al、Mg、Ti等閥金屬及其合金表面原位形成陶瓷膜層，極大地提高金屬的耐蝕、耐磨等性能，而被公認為最有前途的鎂合金表面處理技術(shù)。
　　 目前，對鎂合金MAO的研究多集中在提高耐蝕性能方面，且采用

2、的電解液主鹽多為硅酸鹽、磷酸鹽或鋁酸鹽，膜層成分單一、綜合性能一般。此外，對鎂合金MAO的工藝原理、膜層的形成機制以及膜層的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系尚缺乏系統(tǒng)、深入的研究。因此，開發(fā)新的電解液體系、改善膜層的組成與結(jié)構(gòu)，深入探討MAO的處理工藝、膜層的形成機制，系統(tǒng)研究膜層的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，對鎂合金MAO的進一步發(fā)展和應(yīng)用具有十分重要的意義。
　　 本文在綜合分析國內(nèi)外電解液特性的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了兩種新型的電解

3、液體系（Si-Zr-Y 體系和Al-Zr-Y 體系），首次在堿性電解液中于AZ91D 鎂合金表面原位制備了ZrO2-Y2O3 陶瓷膜層，并與已開發(fā)的硅酸鹽-磷酸鹽復合電解液體系（Si-P 體系）作對比，系統(tǒng)研究了三種膜層（Si-P film、Si-Zr-Y film和Al-Zr-Y film）的厚度、表面粗糙度、組成、結(jié)構(gòu)以及耐蝕、耐熱、耐磨等性能之間的關(guān)系，為開發(fā)新的MAO膜層、進一步提高AZ91D的綜合性能奠定了良好的基礎(chǔ)。

4、　　 研究了添加劑(NaPO3)6的濃度對硅酸鹽電解液中AZ91D 鎂合金MAO 膜層的組成、結(jié)構(gòu)及耐蝕性能的影響。結(jié)果表明，隨著(NaPO3)6 濃度的增加，膜層中MgO和Mg2SiO4的含量分別在0～3 g·L-1和0～7 g·L-1 濃度范圍內(nèi)增加，在3～10 g·L-1和7～10g·L-1 濃度范圍內(nèi)減少；而MgAl2O4含量逐漸減少。添加(NaPO3)6后，MAO 膜層（Si-Pfilm）的耐電化學腐蝕性能提高，這主要是因為

5、(NaPO3)6增加了MAO 反應(yīng)過程中基體鎂合金表面的“氧空位”和溶液中PO43-含量，促使Mg 在金屬/膜層界面上快速形成相應(yīng)的化合物，增加了陶瓷膜層的厚度和致密性，從而提高了其耐腐蝕性能。系統(tǒng)研究了Si-Zr-Y film和Al-Zr-Y film的生長過程、膜層結(jié)構(gòu)和化學組成。結(jié)果表明，隨著氧化時間的延長，膜層的厚度逐漸增加，但生長速率逐漸減小。兩種膜層均具有雙層結(jié)構(gòu)，即外部的多孔層和內(nèi)部的致密層。Si-Zr-Y film 主要

6、由t-ZrO2、Y2O3、SiO2、MgO、MgF2和Mg2SiO4組成，膜層表面的陶瓷顆粒尺寸較大，分布不均勻，粗糙度相對較大（～3.495 μm），但孔隙率很低（～0.9%）；而Al-Zr-Y film 主要由c-ZrO2、t-ZrO2、Y2O3、Al2O3、MgO、MgF2和MgAl2O4組成，膜層表面的陶瓷顆粒多而細小，分布均勻，粗糙度相對較?。ā?.128 μm），但孔隙率較高（～39.4%）。
　　 研究分析了三種膜

7、層的耐蝕性能。結(jié)果表明，Si-P film和Si-Zr-Y film 耐點滴腐蝕的能力較強，而Al-Zr-Y film的較差，但均好于未處理的AZ91D 鎂合金。三種膜層在3.5 wt.% NaCl 溶液中均表現(xiàn)出很好的耐蝕性，其耐蝕能力較基體合金提高了3個數(shù)量級。分析表明在較長時間的電化學反應(yīng)過程中，膜層的耐蝕性能主要取決于內(nèi)部致密層的厚度和致密性，而對于短時間的電化學反應(yīng)過程來說，膜層表面的孔隙率和孔洞的大小對其耐蝕性能也存在較大影

8、響。
　　 高溫氧化及熱沖擊研究結(jié)果表明，三種膜層的高溫抗氧化能力明顯好于未處理的AZ91D 鎂合金；Si-Zr-Y film和Al-Zr-Y film 耐熱沖擊性能好于Si-P film，其主要原因是膜層中含有Y2O3 穩(wěn)定的ZrO2 以及Al2O3等高溫穩(wěn)定相，在加熱過程中其相組成變化較小，對溫度變化敏感度較低；此外，膜層的內(nèi)層具有一定厚度且相對致密，與基體間的結(jié)合強度較高，因而在熱沖擊過程中不易產(chǎn)生裂紋和膜層脫落。

9、　　 系統(tǒng)研究了三種膜層的硬度、耐磨及拉伸性能。結(jié)果表明，微弧氧化處理后，鎂合金的表面硬度明顯增加，這主要是因為MAO 膜層的主體相為陶瓷相，其硬度高于基體，因而能顯著提高基體的硬度。由于MAO 膜層的存在，使得鎂合金的磨損機制發(fā)生了改變，粘著磨損和磨粒磨損損傷減輕，因而其耐磨性能顯著提高。鎂合金在拉伸實驗中發(fā)生了準解理斷裂和韌窩斷裂相結(jié)合的混合斷裂，但以準解理斷裂為主；而MAO 膜層拉伸實驗后在膜層/基體的界面結(jié)合處未出現(xiàn)明顯的分層