李于朋, 劉 鑫, 宮文彪, 馬 凱, 孫大千

(1.長春工業(yè)大學(xué)先進結(jié)構(gòu)材料教育部重點實驗室,吉林長春 130012;2.長春北星軌道車輛配件有限公司,吉林長春 130114;3.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春 130022)

0 引 言

鎂合金因具有比強度和比剛度高、導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性優(yōu)良、無磁性與電磁屏蔽特性、良好的阻尼性和切割加工性能等優(yōu)點,在各個工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。但由于鎂合金電極電位較低,化學(xué)性活潑,在大氣中形成的氧化膜疏松多孔,耐腐蝕性能較差,在一定程度上限制了鎂合金的應(yīng)用范圍[6-10]。

由于等離子噴涂具有的高沉積效率、高結(jié)合強度,以及焰流溫度高、工藝穩(wěn)定、涂層質(zhì)量高等優(yōu)點,使其在表面改性方面得到廣泛應(yīng)用[11-14]。近年來,鎂合金表面采用等離子噴涂技術(shù)制備涂層的研究已引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,并取得了一定進展。文獻[15]采用等離子技術(shù)在鎂合金表面噴涂Al2O3+3%TiO2納米陶瓷涂層,研究了涂層的組織結(jié)構(gòu)、結(jié)合強度、硬度及耐腐蝕性能;文獻[16]在AZ31表面采用等離子噴涂Al65Cu23Fe12涂層,研究了涂層熱處理前后的組織與性能,但對于利用等離子噴涂技術(shù)在鎂合金表面制備鋁基涂層及其耐腐蝕性能的實驗研究較少。文中采用等離子噴涂技術(shù)在AZ31鎂合金表面制備純Al涂層,研究了涂層經(jīng)封孔處理和未封孔處理時在不同環(huán)境下的腐蝕性能及腐蝕行為。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗使用50 mm×50 mm×6 mm AZ31鎂合金板為基體材料,其主要成分見表1。

表1 AZ31鎂合金主要化學(xué)成分

1.2 涂層制備

噴涂設(shè)備采用美國Praxair3710型等離子噴涂系統(tǒng)(SG-100噴槍)。噴涂前使用40～60目棕鋼玉砂對基體表面進行噴砂粗化處理。噴槍安裝在可編程控制Motoman機械手臂上進行噴涂,涂層厚度約為500 μm,工藝參數(shù)見表2。

表2 等離子噴涂工藝參數(shù)

1.3 性能測試

1.3.1 試樣制備

對噴涂試樣截面進行機械拋光,采用 JSM-5600LV掃描電鏡觀察截面和涂層表面形貌,并采用VNT QuantLab-MG顯微圖象分析系統(tǒng)(金相版)進行孔隙率測定。

極化曲線實驗時,分別取20 mm×20 mm噴涂有Al涂層的試樣和未噴涂的試樣,在試樣頂端各鉆一小孔,將銅絲穿入擰緊,在待測試樣表面預(yù)留1 cm2面積,其余部分和銅絲均用市售指甲油封閉。待完全干透后進行實驗。

在進行浸泡腐蝕實驗和中性鹽霧實驗時,每組3個試樣,分別為未噴涂涂層的Mg合金試樣、表面噴涂Al涂層的試樣和涂層表面加封孔劑的試樣。封孔劑采用微晶石蠟,噴涂實驗完成后,立即將微晶石蠟均勻涂抹于涂層表面,利用余熱熔化封孔劑,使其滲入涂層內(nèi)部。浸泡實驗和鹽霧腐蝕實驗試樣尺寸均為30 mm×30 mm。試樣用乙醇擦洗后,晾干,為防止腐蝕實驗時腐蝕表面其它部位,除實驗表面,其它部位均用市售指甲油覆蓋,并待其干透24 h后進行實驗,浸泡實驗和鹽霧實驗預(yù)留面積S=20 mm×20 mm。

1.3.2 極化曲線實驗

采用LK9805型電化學(xué)分析系統(tǒng)及傳統(tǒng)三電極體系,試樣為工作電極,鉑電極為輔助電極,飽和甘汞電極為參比電極。工作電極和輔助電極均經(jīng)過活化處理后立即放入電解池中,待電位穩(wěn)定后,分別測定有涂層試樣和無涂層Mg合金試樣的極化曲線。

測試所用腐蝕介質(zhì)為5%NaCl溶液,實驗溫度為25℃,選擇掃描速度為0.01 V/min,掃描區(qū)間為-2.0～0.0V。

1.3.3 浸泡腐蝕實驗

浸泡腐蝕實驗采用流體浸漬法[17],實驗前試樣用丙酮清洗、吹干。然后測量試樣的質(zhì)量和尺寸,實驗裝置如圖1所示。

圖1 流體浸漬法浸泡腐蝕實驗裝置

將試樣浸漬在5%NaCl溶液(pH=7.0)流體介質(zhì)中一定時間,水泵流量為225 mL/s,測定水流速為187 mm/s。采用水浴加熱方法控制溶液溫度為(35±2)℃,每隔5 h將試樣取出,用去離子水和酒精沖洗,熱風(fēng)吹干,用感量為1/10000 g的FA2004N型電子天平稱重,計算腐蝕速率,采用Olympus SZ61體式顯微鏡觀察腐蝕試樣表面形貌,實驗時間為30 h。

1.3.4 鹽霧腐蝕實驗

中性鹽霧實驗(NSS)用YWX/Q-150型鹽霧腐蝕實驗機,按照GB/T10125-1997進行。試樣采用5%NaCl水溶液,pH值約為7.0,實驗溫度為(35±2)℃,采用間歇噴霧連續(xù)噴 30 s、停30 s為一周期,噴霧壓力為0.07～0.25 MPa之間,實驗連續(xù)進行48 h。實驗結(jié)束后取出試樣,用去離子水和酒精沖洗,熱風(fēng)吹干,用FA2004N型電子分析天平稱量腐蝕失重,采用Olympus SZ61顯微鏡觀察表面腐蝕形貌。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 涂層組織結(jié)構(gòu)分析

Mg合金表面等離子噴涂 Al涂層的表面SEM形貌如圖2所示。

圖2(a)為Mg合金表面等離子噴涂Al涂層的表面SEM 形貌。從圖中可以看出,涂層表面較為粗糙,其形成主要為液態(tài)鋁顆粒撞擊在涂層表面后迅速凝固而形成的放射狀形貌,鋁顆粒相互錯綜疊加,在涂層表面形成一定的孔隙以及飛濺小顆粒。

圖2(b)為涂層截面拋光后的形貌,圖中右側(cè)為涂層,左側(cè)為基體。涂層中深色顆粒狀區(qū)域為微小的孔隙或氣孔,呈彌散狀分布。從圖中可以看出,涂層的孔隙率較低,經(jīng)測定為4.68%。涂層未見明顯的層狀結(jié)構(gòu),這是由于Al的熔點低,經(jīng)過等離子焰流后,Al粉末全部熔化后形成的結(jié)構(gòu)較為緊密的涂層。

圖2 AZ31表面等離子噴涂Al涂層SEM照片

2.2 極化分析

Mg合金基體與涂層的極化曲線如圖3所示。

圖3 AZ31鎂合金AL涂層的極化曲線

由圖中可知,Mg合金在5%NaCl溶液介質(zhì)中的自腐蝕電位為-1.245 V,極化曲線無鈍化區(qū)。Al涂層試樣的自腐蝕電位為-1.364 V,有較明顯的鈍化區(qū),隨著電位的變化,在鈍化區(qū)AB內(nèi),電位從-0.85 V到-1.15 V時電流基本保持不變,處在鈍化狀態(tài)的Al涂層的溶解速度很小,說明Al涂層在這一區(qū)域具有良好的耐蝕性。因為Al涂層試樣的電極電位低于Mg合金的電極電位,Al涂層會作為陽極與Mg合金基體形成原電池,從而對Mg合金基體起到犧牲陽極的陰極保護作用。

2.3 浸泡腐蝕實驗分析

浸泡腐蝕30 h前后試樣對比照片如圖4所示。

圖4 浸泡腐蝕30 h前后試樣對比照片

圖4中(a),(b),(c)分別為沒有涂層的Mg合金表面、經(jīng)過封孔處理和未封孔處理的Al涂層試樣腐蝕前照片,(d),(e),(f)分別為上述試樣浸泡腐蝕30 h后的對比照片。圖4中,(d)為鎂合金基體有明顯的蝕坑,起初光滑平整的表面已被完全破壞,(e)中封孔處理的Al涂層表面變化不大,僅存在個別蝕坑,蝕坑小而淺,(f)中未封孔涂層腐蝕較為嚴重,存在較深、較大的蝕坑,個別區(qū)域涂層已被完全腐蝕。

以上各試樣在浸泡腐蝕實驗中失重量隨時間變化的對比曲線如圖5所示。

圖5 失重量與浸泡時間關(guān)系曲線

從圖中可以看出,隨著腐蝕時間的延長,Mg合金先是增重,10 h后開始失重,直到腐蝕結(jié)束。出現(xiàn)這種狀況是因為開始時鎂合金表面形成一層氧化膜,從而出現(xiàn)增重現(xiàn)象,隨后,因為其氧化膜疏松多孔,氯離子在其表面引起氧化膜薄弱處的局部破壞,從而導(dǎo)致點蝕發(fā)生。經(jīng)過30 h的腐蝕,隨著破壞面的增大,最初的蝕點連接成面,導(dǎo)致Mg合金失重量逐漸增大。未經(jīng)封孔處理的涂層試樣表面,因為涂層表面及內(nèi)部存在一定的孔隙,當(dāng)這些孔隙個別之間相互貫通,有些可能延伸至基體,所以在進行浸泡腐蝕時,腐蝕不僅發(fā)生在涂層表面,也在涂層內(nèi)部、涂層與基體結(jié)合處同時發(fā)生,因而造成未封孔的涂層嚴重被腐蝕掉。然而,經(jīng)過封孔處理的Al涂層試樣的失重量卻很小,因為封孔劑封堵了涂層表面的孔隙、氣孔,使腐蝕僅在涂層表面出現(xiàn),因此失重量一直較穩(wěn)定。與Mg合金相比,封孔處理的涂層試樣腐蝕時間越長,越能體現(xiàn)出Al涂層的高耐蝕性能,它能夠?qū)g基體起到長效防護的作用。綜上所述,在此環(huán)境下經(jīng)封孔處理的 Al涂層可提高Mg合金的耐蝕性能。

2.4 鹽霧腐蝕實驗分析

鹽霧腐蝕實驗前后試樣對比照片如圖6所示。

圖6中,(a)為AZ31Mg合金試樣,表面無銹斑;(b)為等離子噴涂Al涂層試樣,噴涂后表面進行了封孔處理;(c)為噴涂后沒有進行處理的Al涂層試樣;(d)為Mg合金試樣48 h腐蝕圖,從圖中可以清楚地看到,Mg合金表面已嚴重腐蝕;(e)為封孔處理Al涂層試樣48 h腐蝕圖,涂層表面未有明顯腐蝕現(xiàn)象,表面基本完好;(f)中未封孔處理的試樣表面出現(xiàn)點蝕坑,變得更為粗糙。

圖6 鹽霧腐蝕實驗前后試樣對比照片

3種試樣在5%NaCl溶液鹽霧環(huán)境中的腐蝕實驗失重量測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 鹽霧腐蝕失重量對比

從圖中可以看出,經(jīng)過封孔處理的Al涂層試樣的腐蝕失重量最小;其次為未經(jīng)封孔的 Al涂層試樣,失重量最大的為Mg合金。這說明在鹽霧腐蝕實驗中Mg合金噴涂Al涂層的耐蝕性好于Mg合金基體,若通過減少涂層孔隙或改善涂層表面質(zhì)量可大幅提高其耐蝕性。而未經(jīng)封孔的Al涂層試樣在此實驗環(huán)境中的表現(xiàn)優(yōu)于浸泡腐蝕實驗,這是因為在鹽霧實驗中,NaCl溶液沉降量很小,腐蝕主要作用于試樣表面,其腐蝕行為主要為表面的點蝕,涂層內(nèi)部及涂層與基體之間很少發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

1)采用等離子噴涂技術(shù)在鎂合金表面制備Al涂層,涂層結(jié)構(gòu)致密,孔隙率低;無明顯層狀組織,表面較為粗糙。

2)Al涂層的電極電位低于鎂合金基體,可對鎂合金基體起到犧牲陽極的陰極保護作用。

3)經(jīng)封孔處理的Al涂層對鎂合金基體有較好的保護作用,提高了鎂合金的耐腐蝕性能;未經(jīng)封孔處理的Al涂層在浸泡腐蝕實驗中腐蝕比鎂合金嚴重,但在鹽霧實驗中有較好的耐腐蝕性能。

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