鎂合金表面熔鹽自發(fā)置換擴(kuò)滲鋁涂層制備及其耐腐蝕性能研究.pdf

1、鎂合金具有比重小、綠色環(huán)保等優(yōu)點,日益成為汽車、航空航天以及電子消費品等領(lǐng)域的重要材料。但是,鎂合金的耐腐蝕性能較差,這一直是阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用的主要因素,也是鎂合金研究開發(fā)中存在的一個難題。因此,耐腐蝕與防護(hù)技術(shù)是鎂合金應(yīng)用基礎(chǔ)研究的重要研究領(lǐng)域,開展該方面的基礎(chǔ)研究工作具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義。
　　 本文開展了鎂合金表面熔鹽置換擴(kuò)滲鋁涂層的制備及相關(guān)的耐腐蝕性能研究。通過把鎂合金基體置于熔融的等摩爾AlCl3和NaCl的混和

2、鹽中,進(jìn)行置換反應(yīng)并且保溫擴(kuò)散,在鎂合金表面形成擴(kuò)滲鋁涂層。其核心是在低于傳統(tǒng)的固體擴(kuò)滲鋁的溫度條件下利用鎂合金自身高活性的特點,在低溫熔鹽中置換出活性鋁原子及形成新的合金相,隨著擴(kuò)散過程的推進(jìn),最終形成合金相層狀分布的鋁涂層,提高鎂合金基體的耐腐蝕性能。主要研究結(jié)論如下:
　　 (1)當(dāng)擴(kuò)滲溫度較低或者擴(kuò)滲時間較短時,鎂合金表面只形成了單一相γ相(Al12Mg17)層,并伴隨著δ(Mg)固溶體的析出；當(dāng)擴(kuò)滲溫度較高或者擴(kuò)滲時間

3、較長時,AZ91D鎂合金表面從內(nèi)到外依次形成了過渡層δ(Mg)固溶體層,灰色滲層γ相(Al12Mg17)層,線狀結(jié)構(gòu)與亮灰色層ε相(Al0.58Mg0.42)層,白亮層β相(Al3Mg2)層,以及鋁涂層的最外側(cè)零星分布的亮層α(Al)的固溶體。擴(kuò)滲溫度、擴(kuò)滲時間以及基體中的初始原子濃度是影響擴(kuò)滲層形成的主要因素。
　　 (2)對鎂合金表面熔鹽置換擴(kuò)滲制備鋁涂層進(jìn)行了熱力學(xué)分析,其中包含了置換反應(yīng)的熱力學(xué)分析、擴(kuò)散過程的熱力學(xué)分析

4、和合金相形成的熱力學(xué)分析。鎂合金與熔鹽能否發(fā)生置換反應(yīng)產(chǎn)生活性原子可分為二個階段。第一階段:鎂合金與熔鹽的初始接觸階段；第二階段:鎂合金表面形成了一定厚度的擴(kuò)滲層階段。上述兩個階段的熱力學(xué)分析,說明在熔鹽環(huán)境下鎂合金表面置換反應(yīng)的自發(fā)性和Al元素擴(kuò)散的持續(xù)性。通過對擴(kuò)散過程進(jìn)行熱力學(xué)分析,可以得出只要在鎂合金表面置換反應(yīng)在持續(xù)進(jìn)行,鎂合金表面與鎂合金基體內(nèi)部就存在Al元素的濃度梯度,那么就存在Al元素的擴(kuò)散驅(qū)動力。對合金相形成過程的進(jìn)行

5、熱力學(xué)分析,可以得到在115.86　　 (3)建立了鎂合金/熔鹽界面置換擴(kuò)滲的物理模型。該模型的核心為通過置換反應(yīng)提供活性的Al原子以及新的合金相析出,擴(kuò)散過程逐漸推進(jìn),在鎂合金表面逐步形成了δ(Mg)層→Al12Mg17(

6、γ)層→Al0.58Mg0.42(ε)層→Al3Mg2(β)層。其中,擴(kuò)散過程占主導(dǎo)地位,置換反應(yīng)提供活性原子始終伴隨著擴(kuò)散過程同時進(jìn)行。
　　 (4)對鎂合金表面熔鹽置換擴(kuò)滲制備鋁涂層進(jìn)行了動力學(xué)分析,通過對擴(kuò)散過程進(jìn)行動力學(xué)分析得到了鎂合金表面熔鹽置換擴(kuò)散過程中不同擴(kuò)滲溫度和不同擴(kuò)滲時間下Al在Mg中的表觀擴(kuò)散系數(shù)和Mg在Al中的表觀擴(kuò)散系數(shù)。其Mg在Al中的表觀擴(kuò)散系數(shù)比純鎂擴(kuò)散純鋁過程Mg在A1中的擴(kuò)散系數(shù)有顯著提高,而

7、Al在Mg中的表觀擴(kuò)散系數(shù)比純鎂擴(kuò)散純鋁過程Al在Mg中的擴(kuò)散系數(shù)大3～4個數(shù)量級。擬合得到了擴(kuò)滲層的生長活化能為51666J·mol-1；推導(dǎo)了每個相厚度的生長模型,驗證了置換擴(kuò)散過程中,其一相的生成是依靠消耗另一相與活性原子的擴(kuò)散發(fā)生相變得到的,從而導(dǎo)致相界面的移動；建立了鎂合金/熔鹽界面置換擴(kuò)滲的數(shù)學(xué)模型。
　　 (5)當(dāng)熔鹽置換擴(kuò)散滲鋁試樣沒有出現(xiàn)大的結(jié)構(gòu)缺陷時,呈連續(xù)態(tài)的γ相可完全隔離鎂合金基體與腐蝕介質(zhì)的接觸,對電子

8、的傳輸構(gòu)成屏障,使電荷轉(zhuǎn)移極化電阻增加,提高試樣的耐蝕性；而當(dāng)置換擴(kuò)散滲鋁層中出現(xiàn)了脆性β相,導(dǎo)致裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷時,由于γ相的電極電位低于β相,因此,在腐蝕溶液中就會發(fā)生電偶腐蝕,γ相作為有效的微電偶陰極而加速置換擴(kuò)散滲鋁層的腐蝕導(dǎo)致耐腐蝕性能降低。
　　 本文的主要創(chuàng)新點如下:
　　 (1)嘗試采用熔鹽置換擴(kuò)滲工藝方法,在鎂合金表面成功制備了成分呈梯度分布和相結(jié)構(gòu)層狀分布的富鋁涂層,擴(kuò)滲溫度明顯低于傳統(tǒng)的鎂合金表面固體