镁合金环保型等离子体电解氧化工艺及膜层性能研究

论文摘要

镁及其合金作为最轻的金属结构材料,是21世纪最有发展前景的金属之一,然而,耐蚀性差却成为制约其发挥性能优势的主要因素之一。因此,进行适当的表面处理以增强现有镁合金的耐蚀性具有重要的现实意义。等离子体电解氧化（PEO）是近年来在普通阳极氧化基础上开发的一种新技术,它采用较高的能量密度,通过等离子体化学、电化学和热化学的共同作用,在Al、Mg、Ti等阀金属表面原位形成类陶瓷膜层,极大地提高了金属的耐蚀、耐磨、绝缘等性能,具有广阔的应用前景。针对镁合金耐蚀性差及目前等离子体电解氧化存在的一些不足,本文对AZ91D镁合金无Cr、F、P环保型PEO电解液配方及其工艺进行了研究。试验采用正交优化设计,以点滴试验时间、显微硬度为评定指标,并对正交试验的分析方法作了创新,提出了综合平衡法与满意度法相结合的新方法,优化了电解液主要成分的含量。采用电压—时间曲线、膜厚—时间曲线、成膜过程中试样表面微观形貌变化的观察以及点滴试验等方法对影响镁合金PEO工艺成膜效果的主要工艺参数进行了研究,结果表明,不同工艺下得到的氧化膜具有相似的表面形貌,均为多孔状结构,随着电流密度的升高、氧化时间的延长,所得膜层的厚度增加,表面粗糙度增加,膜层表面的孔隙变大,膜层的耐腐蚀性增加。综合比较不同工艺参数下膜层的成膜效果发现,在15mA/cm2电流密度和30min氧化时间下得到的膜层具有最好的综合性能,过高的电流密度和过长的氧化时间都不利于膜层耐腐蚀性能的提高,且表面粗糙,膜层出现微裂纹。采用XRD、EDS、SEM对氧化膜层成分、形貌和结构进行了分析研究,结果表明,膜层主要由MgO、MgSiO3、MgAl2O4和Al2O3组成。氧化膜的成分与电解液的组成有很大的关系。电解液中的Na2SiO3使氧化膜中含有MgSiO3;有机胺的加入提高了膜层中Al的含量;过氧化物为成膜过程提供氧气。镁合金氧化膜比较均匀致密,表面为多孔状,并对多孔状结构的形成机理进行了探讨,发现膜的多孔结构与膜的生长过程和火花放电过程有很大的关系。膜层与基体金属呈锯齿状契合,在试样的不同部位,膜层的厚度分部并不十分均匀。表明氧化膜与基体金属之间具有较强的结合力,与结合力试验相一致。通过点滴试验、全浸蚀试验等不同试验方法对镁合金氧化膜的耐腐蚀性能进行了测试,试验结果一致,均表明新工艺能够使镁合金的耐腐蚀性能得到了很大的改善。并且,通过析氢测量法,得出了AZ91D镁合金优化工艺处理前后腐蚀速度随时间的变化过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 镁及镁合金的特点及应用
• 1.2 镁合金的腐蚀问题
• 1.3 镁合金的防腐蚀技术
• 1.3.1 控制冶金因素
• 1.3.2 快速凝固处理（RSP）
• 1.3.3 表面处理
• 1.4 镁合金的等离子体电解氧化（PEO）
• 1.4.1 镁合金的等离子体电解氧化发展历程
• 1.4.2 等离子体电解氧化过程中的物理化学原理
• 1.4.3 等离子体电解氧化工艺
• 1.5 论文的选题依据
• 1.6 本文研究目的和主要内容
• 2 实验设计和分析测试方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 主要试验试剂与设备
• 2.3 氧化膜层的制备
• 2.4 膜层性能测试研究方法
• 2.4.1 膜层外观检测
• 2.4.2 膜层厚度测试
• 2.4.3 膜层硬度测试
• 2.4.4 膜层结合力测试
• 2.4.5 膜层耐蚀性检测
• 2.4.6 膜层的微观分析
• 3 镁合金等离子体电解氧化工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 镁合金等离子体电解氧化电解液配方的研究
• 3.2.1 工艺参数的初选
• 3.2.2 正交实验结果及讨论
• 3.2.3 电解液组分的作用
• 3.3 等离子体电解氧化成膜现象特征
• 3.4 工艺参数对成膜效果的影响
• 3.4.1 电流密度对成膜效果的影响
• 3.4.2 处理时间对成膜效果的影响
• 3.5 小结
• 4 镁合金氧化膜层性能研究及微观分析
• 4.1 引言
• 4.2 膜层的耐蚀性能的研究
• 4.2.1 点滴实验
• 4.2.2 全浸腐蚀实验
• 4.2.3 析氢腐蚀实验
• 4.2.4 等离子体电解氧化试样的腐蚀行为
• 4.3 膜层与基体的结合力分析
• 4.4 膜层的显微硬度测定
• 4.5 膜层的组成相分析
• 4.5.1 XRD研究结果
• 4.5.2 EDS研究结果
• 4.6 膜层的形貌分析
• 4.7 小结
• 5 全文结论与展望
• 5.1 全文结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间所发表的学术论文
• 致谢