付廣艷，陳兆蘇，姜天琪,劉華成，任 雷

(沈陽化工大學機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142)

0 前 言

鎂儲量豐富，其合金作為輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強度和比剛度高、切削加工性好及電磁屏蔽性好等諸多優(yōu)點[1，2]。因此，鎂合金在電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航天航空、國防軍工、生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景[3，4]。但鎂合金的化學性質(zhì)活潑，耐腐蝕性能差，使其應用范圍受限[5]。因此，提高鎂合金的耐腐蝕性能十分必要。

近年來，環(huán)保型陽極氧化工藝成為鎂合金表面處理技術(shù)的發(fā)展方向和研究熱點[4]。然而，目前的鎂合金環(huán)保型電解液體系多由無機鹽組成，陽極氧化過程中易出現(xiàn)破壞性電火花，使得膜層粗糙度大，微孔孔徑大且分布不均，進而限制了膜層的長期耐腐蝕能力[6]。在電解液中添加Al2O3、TiO2等納米顆粒對鎂合金進行微弧氧化，可以改變膜層的結(jié)構(gòu)與組成，提高膜層的致密度，改善膜層的耐腐蝕性[7-14]。因此，本工作以氫氧化鈉(NaOH)、硅酸鈉(Na2SiO3)、三聚磷酸鈉(STPP)、乙二胺四乙酸(EDTA)為電解液主要成分，研究MgO納米顆粒對鎂合金陽極氧化膜性能的影響，以豐富鎂合金陽極氧化工藝，提高鎂合金的耐腐蝕性能。

1 試 驗

實驗材料為Mg97Y2Zn1- 1.5Al鑄造鎂合金，其化學成分如表1所示，將其切成20 mm×15 mm×3 mm片狀試樣，表面逐級打磨拋光，丙酮除油，無水乙醇清洗，吹干待用。

表1 Mg97Y2Zn1 - 1.5Al鎂合金的化學成分

陽極氧化采用MP3002D直流電源，以鎂合金試件為陽極，不銹鋼板為陰極，利用磁力攪拌器對電解液進行攪拌，在恒溫水浴條件下進行反應?；A(chǔ)電解液組成：40 g/L NaOH、40 g/L Na2SiO3、0.12 mol/L 三聚磷酸鈉、0.03 mol/L EDTA。MgO納米顆粒的添加濃度為10 g/L。陽極氧化參數(shù)：時間30 min，溫度20 ℃，電流密度10 mA/cm2。氧化后的試件用蒸餾水沖洗，吹干。

用DM750光學顯微鏡和S3400掃描電鏡(自帶能譜儀)觀察氧化膜的表面形貌及并對氧化膜進行成分分析。用D8型X射線衍射儀對MgO納米顆粒及陽極氧化膜進行相分析。用FY2050型渦流測厚儀測試氧化膜厚度。按照HB5061-77對膜層進行點滴實驗測試其耐腐蝕性能。在室溫3.5%(質(zhì)量分數(shù))NaCl水溶液中進行72 h的浸泡腐蝕實驗，借助梅特勒 - 托利多AG285型電子天平稱重，并繪制腐蝕動力學曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 MgO納米顆粒對陽極氧化膜組成及表面形貌的影響

圖1是在電解液中添加MgO納米顆粒前后陽極氧化膜的表面形貌，可見，在電解液中添加MgO納米顆粒后，鎂合金陽極氧化膜相對致密，微孔數(shù)減少，較大孔洞中嵌有微小顆粒。對添加了MgO納米顆粒的陽極氧化膜層及微小顆粒分別進行EDS分析(圖2)， 結(jié)果顯示微小顆粒位置處Mg、O元素的質(zhì)量分數(shù)高于氧化膜層中2種元素的質(zhì)量分數(shù)，進而表明較大孔洞內(nèi)的顆粒是MgO納米顆粒。因為MgO納米顆粒的表面能較大，能夠吸附電解液中的負離子形成膠體粒子，在電泳作用下向陽極表面移動，被吸附在放電通道內(nèi)，進而填充孔洞[15]。其次，成膜過程中，較高的反應速率使得熔融物無法將原有的孔洞完全填充就迅速冷卻凝固堆疊，進而導致膜層內(nèi)部存在大量封閉的微孔，而MgO納米顆粒能夠降低電解液的導電性，進而降低反應速率，使得熔融物對孔洞的填充更加充分，降低孔隙率。因此，添加MgO納米顆粒后，膜層中微孔數(shù)減少，膜層相對致密。此外，陽極氧化膜厚度測試表明，相同條件下，電解液中未添加MgO納米顆粒時，氧化膜厚度約54 μm，添加MgO納米顆粒后，氧化膜厚度約62 μm。這是因為在鎂合金陽極氧化過程中，電解液中添加的MgO納米顆粒會填充膜層孔隙和缺陷，加速膜層孔隙和缺陷位置的生長，從而使膜厚增加[16]。

圖3是在電解液中添加MgO納米顆粒前后陽極氧化樣品表面的XRD譜?？梢?，電解液中添加MgO納米顆粒后的陽極氧化樣品表面Mg相衍射峰強度相對減弱，MgO相衍射峰強度相對增加。這表明，向電解液中添加MgO納米顆粒提高了膜層的致密度和厚度，并且MgO納米顆粒直接參與成膜，進而提高了膜層中MgO的含量。

2.2 MgO納米顆粒對陽極氧化膜耐蝕性能的影響

點滴實驗表明，電解液中未添加MgO納米顆粒時，點滴試液變色時間為132 s,添加MgO納米顆粒后，點滴試液變色時間為227 s，變色時間延長95 s。這是因為添加MgO納米顆粒使得膜層孔洞被填充，致密度提高，進而抑制了點滴試液中H+的滲透，延長了變色時間。

由添加MgO納米顆粒前后陽極氧化樣品經(jīng)3.5%NaCl水溶液浸泡腐蝕72 h后的腐蝕失重曲線(圖4)及表面形貌(圖5)可見，在電解液中添加MgO納米顆粒后，試件的腐蝕失重速率相對下降，表面腐蝕程度相對降低。這是因為在電解液中添加MgO納米顆粒后，陽極氧化膜中的微孔數(shù)減少， 較大孔洞被MgO納米顆粒填充，致密度升高，膜厚增加，腐蝕通道減少， 抑制了Cl-等腐蝕介質(zhì)的滲透， 進而減緩陽極氧化樣品的腐蝕；

另外，膜層中MgO含量的增加使得膜層在浸泡過程中產(chǎn)生更多的Mg(OH)2,進而填充空洞[16]，進一步抑制了樣品的腐蝕。

3 結(jié) 論

(1)在以NaOH+Na2SiO3+STPP+EDTA為主要成分的電解液中添加MgO納米顆粒，對Mg97Y2Zn1- 1.5Al鑄造鎂合金進行陽極氧化，所制備的陽極氧化膜微孔數(shù)減少，較大孔洞被MgO納米顆粒填充，膜層致密度升高，膜層中MgO含量升高。

(2)在電解液中添加MgO納米顆粒后陽極氧化膜的厚度相對增加。

(3)在電解液中添加MgO納米顆粒能延長陽極氧化膜的點滴試液變色時間，降低樣品在3.5%NaCl水溶液中的腐蝕速率及腐蝕程度，提升膜層的耐腐蝕性能。