ZK60鎂合金表面原位構(gòu)筑耐腐蝕膜層及性能研究.pdf

1、鎂合金耐蝕性能較差，嚴(yán)重阻礙了工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，因而改善鎂合金表面耐腐性能成為社會亟待解決的問題。本論文采用電化學(xué)輔助沉積和微弧氧化技術(shù)在ZK60鎂合金表面原位構(gòu)筑耐蝕膜層，為ZK60鎂合金在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　論文利用電化學(xué)輔助沉積技術(shù)，在十六烷基三甲氧基硅烷(HTMS)/正硅酸乙酯體系中，分別探討了沉積電位、沉積時間和添加劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)對SiO2硅烷薄膜厚度、疏水性和耐蝕性能的影響。實驗結(jié)果表明

2、，增加沉積電位和沉積時間，可顯著增加SiO2硅烷薄膜厚度，降低鎂合金基體腐蝕電流密度。添加劑CTAB能夠增強(qiáng)SiO2硅烷薄膜疏水性能，顯著縮短膜層達(dá)到超疏水狀態(tài)的沉積時間。利用分子動力學(xué)和量子化學(xué)的方法分析了HTMS在鎂合金表面成膜機(jī)理。分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明，HTMS在鎂合金表面能夠形成吸附，其吸附能為-76.03kcal/mol。密度泛函理論計算結(jié)果表明：HTMS分子的HOMO軌道與金屬的空軌道形成成鍵軌道；其LUMO軌道易得到金屬

3、的電子形成反鍵軌道，成鍵與反鍵之間的協(xié)同作用實現(xiàn)HTMS分子吸附；分子前線軌道理論Fukui指數(shù)表明HTMS分子吸附活性位點為硅羥基。
　　為解決電化學(xué)輔助沉積過程中存在膜層結(jié)合力較差，對鎂合金形狀具有依賴性的難題。實驗中以Na2SiO3-KOH-NaF為電解液體系，采用微弧氧化技術(shù)在ZK60鎂合金表面原位構(gòu)筑陶瓷膜層，以增加鎂合金器件在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。首先，通過正交實驗法優(yōu)化電解液中各組分濃度，確定最佳電解液體系。分別研究了電流

4、密度、頻率、占空比和反應(yīng)時間對微弧氧化膜層耐蝕性能的影響，確定最佳工藝參數(shù)。通過測試陶瓷膜層的形貌可知：陶瓷膜層表面含有大量的微孔及裂痕。由XRD和XPS分析可知，陶瓷膜層主要以Mg2SiO4相、MgO相及未完全反應(yīng)的金屬Mg相組成。耐蝕性能結(jié)果表明：微弧氧化技術(shù)能夠顯著提高鎂合金的耐蝕性能；其中，陶瓷膜層腐蝕電位比基體提高0.25V，腐蝕電流密度降低至7.60×10-8A/cm2。
　　為實現(xiàn)不同形狀鎂合金連接件表面及螺紋強(qiáng)化處

5、理，研究了丙三醇分子對微弧氧化反應(yīng)過程影響。實驗結(jié)果表明，丙三醇分子的存在能夠促進(jìn)微弧氧化反應(yīng)的進(jìn)行，降低氧氣氣泡體積；并且能夠有效解決反應(yīng)過程中因電場分布不均而產(chǎn)生的局部放電現(xiàn)象。丙三醇添加濃度對陶瓷膜層微觀形貌、元素組成、相組成及耐蝕性能有重要影響。當(dāng)添加濃度濃度為100mL/L時，陶瓷膜層具有較少的表面缺陷和較高的耐腐蝕性能，其腐蝕電流密度為4.30×10-8A/cm2，比基體耐蝕性能提高近萬倍。此外，丙三醇的添加能夠顯著改善連接

6、件邊緣及盲孔螺紋表面膜層質(zhì)量。實驗利用分子動力學(xué)的方法分析了丙三醇對微弧氧化過程及膜層生長的影響。結(jié)果表明，丙三醇分子在鎂合金表面能夠形成強(qiáng)烈的吸附，改變?nèi)芤?基體界面的組成和性質(zhì)，分割反應(yīng)位點使得膜層表面放電均勻，降低放電斑點尺寸，在反應(yīng)過程中起到“柔化”放電的作用。
　　為改善微弧氧化陶瓷膜層表面質(zhì)量，進(jìn)一步提高陶瓷膜層的耐蝕性能，對陶瓷膜層進(jìn)行表面改性研究。首先，在微弧氧化陶瓷膜層表面，實驗分別研究磁場條件對四氧化三鐵/HT

7、MS復(fù)合薄膜構(gòu)筑的影響。結(jié)果表明：在磁場誘導(dǎo)作用下，四氧化三鐵呈陣列結(jié)構(gòu)，其疏水角為157°，實現(xiàn)超疏水復(fù)合膜層的制備。耐蝕性能表明，超疏水復(fù)合薄膜的腐蝕電流密度比基體降低4個數(shù)量級，僅為1.44×10-8A/cm2，顯著提高鎂合金基體的耐蝕性能；其次，利用改性Hummer法成功制備了氧化石墨烯，并利用氧化石墨烯表面具有含氧官能團(tuán)的特性，將氧化石墨烯溶液填充陶瓷表面微孔與裂痕處，原位組裝形成化學(xué)穩(wěn)定、耐蝕性較強(qiáng)氧化石墨烯薄膜。通過測試微