劉 剛，方 誠，朱 磊，黃青娜，解 芳

(1.南陽理工學院智能制造學院，河南南陽 473004；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機械工程學院，河南南陽 473000)

鎂鋰合金作為目前應用中“最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料”，具有密度小、高比剛度和比強度，同時擁有良好的導電導熱性能、機械加工性能和優(yōu)異的電磁屏蔽性能等特點[1-2]，被廣泛應用于航空航天、軍工、汽車、醫(yī)療、電子等各種領(lǐng)域[3-8]。鎂鋰合金作為一種具有良好應用前景的理想輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，受到學者的廣泛關(guān)注[9-15]。但是由于其化學活性高、易被腐蝕，嚴重限制了其在各領(lǐng)域中的應用[16-18]。

鎂合金表面生成一層化學轉(zhuǎn)化膜是提高鎂合金耐腐蝕性能的有效措施[19]。傳統(tǒng)鎂合金表面化學轉(zhuǎn)化處理工藝中最為成熟和常用的是鉻酸鹽轉(zhuǎn)化處理，該工藝操作和設(shè)備簡單。但是鉻酸鹽轉(zhuǎn)化處理液中含有有毒的六價鉻，不僅危害人類健康而且污染環(huán)境[20]。為了改變這種狀況，研究人員正致力于開發(fā)無鉻化學轉(zhuǎn)化技術(shù)。植酸(化學名稱為環(huán)己六醇六磷酸酯)是從植物種子中提取的一種環(huán)保綠色、無毒、有機磷類物質(zhì)，可與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應，在合金基體表層形成致密的膜層，可以有效阻止腐蝕介質(zhì)與基體接觸，改善合金的防腐蝕性能[21-22]。因此，鎂鋰合金表面植酸處理是化學轉(zhuǎn)化處理中一種有效且較為理想的防腐制備方法。崔秀芳等[23]以AZ91D鎂合金為實驗試樣，在AZ91D鎂合金表面制備植酸轉(zhuǎn)化膜，研究植酸處理溶液的pH值對鎂合金植酸化學轉(zhuǎn)化膜生長速率和耐蝕性能的影響，最佳成膜工藝參數(shù)是處理溫度為20 ℃，植酸濃度為5 g/L，處理時間為15 min，pH值為8，此時轉(zhuǎn)化膜的生長速率最快，致密度、完整度和耐蝕性均為最佳。CUI等[24]探究植酸質(zhì)量濃度對轉(zhuǎn)化膜的影響，發(fā)現(xiàn)植酸質(zhì)量濃度為5 g/L時生成的轉(zhuǎn)化膜具有良好的耐腐蝕性能。鄭潤芬等[25]以AZ91D鎂合金為實驗試樣，在其表面進行植酸轉(zhuǎn)化處理，得到了致密且有網(wǎng)狀裂紋的膜層，形成植酸鹽覆蓋在基體表面，金屬基體耐蝕性得到提高。鄧磊等[26]以雙相Mg-8%(質(zhì)量分數(shù)，下同)Li鑄態(tài)合金為實驗試樣，在不同植酸質(zhì)量濃度的2種轉(zhuǎn)化液中分別制備了植酸轉(zhuǎn)化膜，通過對比電化學實驗、析氫實驗和腐蝕形貌，得出合金在植酸質(zhì)量濃度為30 g/L的轉(zhuǎn)化條件下所形成轉(zhuǎn)化膜的腐蝕防護能力較優(yōu)。目前，國內(nèi)外關(guān)于植酸處理對鎂合金腐蝕性能的影響以及轉(zhuǎn)化膜的制備研究較為廣泛，但針對LA141鎂鋰合金植酸表面處理的工藝參數(shù)優(yōu)化研究較少。

本文通過正交試驗獲得最優(yōu)的LA141鎂鋰合金植酸表面處理工藝參數(shù)，為LA141鎂鋰合金防腐提供工藝參考，進一步擴大LA141鎂鋰合金在工業(yè)領(lǐng)域中的應用范圍。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

選用厚度為3 mm的商用LA141鎂鋰合金板材(成分如表1所示)為實驗試樣，通過線切割加工將其切割成10 mm×10 mm的試樣若干。

表1 LA141鎂鋰合金的成分Tab.1 Chemical composition of LA141 magnesium-lithium alloy

1.2 實驗方法

試樣預處理：先將切割好的LA141鎂鋰合金表面氧化物用金相砂紙打磨清理，然后用丙酮超聲清洗5 min進行脫脂處理，隨后在55 ℃的10 g/L NaOH+10 g/L Na2CO3混合溶液中堿洗5 min，無水乙醇清洗吹干后再將試樣放入25 ℃的15 g/L H3PO4+15 g/L Na3PO4溶液中酸洗30 s，然后用去離子水清洗吹干后待用。

將植酸和去離子水配置不同植酸濃度的植酸處理溶液，再加入三乙醇胺調(diào)節(jié)植酸處理液pH值，預處理后的試樣采用浸漬法進行植酸化學轉(zhuǎn)化膜處理，表面植酸處理后的樣品采用型號為FEI Quanta 650 FEG的電子掃描顯微鏡觀察不同植酸處理參數(shù)下的化學轉(zhuǎn)化膜形貌，再采用NOVO2電化學工作站進行電化學測試，以鉑片作為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，待測試樣LA141鎂鋰合金為工作電極，測試試驗樣品在3.5% NaCl 溶液中的極化曲線，測試掃描速度為0.5 mV/s，掃描時間為600 s，電位掃描范圍為-1.85～-1.35 V(vs.SCE)。

1.3 正交試驗設(shè)計

通過單因素實驗可知，植酸濃度、轉(zhuǎn)化時間和pH值對LA141鎂鋰合金植酸轉(zhuǎn)化膜自腐蝕電流密度的影響較為顯著。

表2 各因素及水平取值Tab.2 Values for various factors and levels

因此選取植酸濃度(A)、轉(zhuǎn)化時間(B)和pH值(C)作為正交試驗因子的3個因素，各因素選取3個水平，各因素的3水平依次為植酸質(zhì)量濃度15，20，25 g/L；轉(zhuǎn)化時間5，10，15 min；pH值4，6，8。以自腐蝕電流密度值作為實驗評價指標，選用L9(33)進行正交試驗，各因素及水平取值見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗結(jié)果

圖1為不同工藝參數(shù)下LA141鎂鋰合金植酸處理后試樣的極化曲線，表3為正交試驗工藝參數(shù)和自腐蝕電流密度結(jié)果。自腐蝕電流密度值越小，表明材料的耐腐蝕性能越好。由表3可知，5號試樣的自腐蝕電流密度值最小，生成的植酸化學轉(zhuǎn)化膜耐腐蝕性能最好，對基體的保護效果最佳。

圖1 不同工藝參數(shù)下LA141鎂鋰合金的極化曲線Fig.1 Polarization curve of LA141 magnesium-lithium alloy at different process parameters

表3 正交試驗結(jié)果Tab.3 Orthogonal experimental results

2.2 極差分析

表4 評價指標自腐蝕電流密度值極差分析結(jié)果Tab.4 Analysis results of corrosion current density value of evaluation index

植酸化學轉(zhuǎn)化法正交試驗所求得的自腐蝕電流密度值極差分析結(jié)果見表4。表4中數(shù)據(jù)為各水平因素對應的自腐蝕電流密度值，K1，K2，K3分別代表水平因素1、水平因素2、水平因素3的自腐蝕電流密度值，k1，k2，k3分別代表處理溶液植酸質(zhì)量濃度、轉(zhuǎn)化時間、pH值3個水平因素自腐蝕電流密度的平均值。由表4可知，植酸質(zhì)量濃度、轉(zhuǎn)化時間、pH值極差R分別為8.26，8.70，20.08，極差R越大，說明該因素的影響程度就越大，因此轉(zhuǎn)化液的pH值對自腐蝕電流密度值影響程度最大，其次是轉(zhuǎn)化時間，最后是植酸質(zhì)量濃度。

直接對比9組實驗測得的自腐蝕電流密度值大小，可以看出最佳實驗條件為A2B3C2，實驗中涉及3個水平因素，可產(chǎn)生27個實驗條件，由于正交表的正交性，這9個條件均勻地分散在這27個實驗條件中，它們有很強的代表性，所以從表3中可以看出自腐蝕電流密度值最小的工藝參數(shù)為A2B3C2，在全部27個實驗條件中的效果是最佳的。因此，將此方案的工藝參數(shù)再進行3組單一因素變量實驗，確定其中的最佳工藝參數(shù)對應的自腐蝕電流密度值，與正交試驗中的最佳工藝參數(shù)對應的自腐蝕電流密度值進行對比，最終確定植酸轉(zhuǎn)化膜最佳成膜工藝參數(shù)。

2.3 單一因素變量實驗

圖2、圖3和圖4分別為不同pH值、不同轉(zhuǎn)化時間和不同植酸質(zhì)量濃度的3組單一變量實驗對應的極化曲線。表5為不同pH值、不同轉(zhuǎn)化時間和不同植酸質(zhì)量濃度的3組變量實驗工藝參數(shù)和電化學擬合參數(shù)結(jié)果。

圖2 不同pH值處理的LA141鎂鋰合金極化曲線Fig.2 Polarization curve of LA141 magnesium-lithium alloy treated at different pH values

圖3 不同轉(zhuǎn)化時間處理下LA141鎂鋰合金的極化曲線Fig.3 Polarization curve of the LA141 magnesium-lithium alloy treated at different conversion times

圖4 不同植酸質(zhì)量濃度處理的LA141鎂鋰合金極化曲線Fig.4 Polarization curve of LA141 magnesium-lithium alloy treated with different phyic acid concentrations

表5 不同工藝參數(shù)植酸處理下LA141鎂鋰合金的電化學擬合參數(shù)Tab.5 Electrochemical fitting parameters of LA141 magnesium-lithium alloy treated with phytic acid under different process parameters

由圖2和表5中不同pH值對LA141鎂鋰合金植酸表面處理試樣的極化曲線和自腐蝕電流密度值大小可以看出，隨著pH值的不斷增大，自腐蝕電流密度值先減小再增大；由圖3和表5中不同轉(zhuǎn)化時間對LA141鎂鋰合金植酸表面處理試樣的極化曲線和自腐蝕電流密度值大小可知，隨著轉(zhuǎn)化時間的不斷增加，自腐蝕電流密度值先降低后上升；由圖4和表5中不同植酸質(zhì)量濃度對LA141鎂鋰合金植酸表面處理試樣的極化曲線和自腐蝕電流密度值大小可知，隨著植酸質(zhì)量濃度的不斷增大，自腐蝕電流密度值同樣呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。

圖5所示為試樣在處理液pH值分別為4，6和8條件下獲得的LA141鎂鋰合金植酸轉(zhuǎn)化膜形貌的SEM掃描電鏡照片。當pH值為4時(見圖5 a))，溶液呈酸性，植酸溶液與鎂鋰合金反應最為劇烈，且試樣周圍產(chǎn)生大量氣泡并逸出，氣體逸出時破壞了鎂鋰合金表面形成的植酸轉(zhuǎn)化膜，造成轉(zhuǎn)化膜表面的裂紋又寬又深。當pH值為6時(見圖5 b))，合金基體表面形成的轉(zhuǎn)化膜完整度最好，這主要是因為此時處理溶液接近中性，試樣反應劇烈程度比較平緩，在轉(zhuǎn)化膜層的慢慢堆積過程中，試樣只有少量的氫氣放出，所形成的膜層裂紋最為細小。當pH值為8時(見圖5 c))，處理溶液中H+含量很低，溶液中生成的自由金屬陽離子很少，可以和植酸根離子螯合的自由金屬陽離子很少，使轉(zhuǎn)化膜的生成速度變得很慢，生成的膜層厚度非常薄。

圖5 不同PH值植酸處理LA141鎂鋰合金表面形貌圖Fig.5 Surface morphology of LA141 magnesium-lithium a lloy treated with phytic acid at different PH values

當pH值為4時，由于合金的快速溶解，大量氣泡的產(chǎn)生攪動溶液使得膜層無法完整形成，此外，在較低的pH值下，植酸和金屬離子形成的配合物膜層會發(fā)生溶解，使得膜層存在很明顯的裂紋，出現(xiàn)龜裂狀；在pH值為8時，合金溶解緩慢，溶液中存在的金屬離子少，植酸膜層生成緩慢，雖然膜層裂紋小或者幾乎無裂紋，但是其厚度很小，防護效果有限。綜上所述，當處理溶液的pH值為6時，處理液與試樣的反應速度適中，形成的膜層質(zhì)量和完整性最好，對合金基體的耐蝕防護性能最佳，這與圖2所示對LA141鎂鋰合金植酸表面處理試樣自腐蝕電流密度值先減小后增大的變化趨勢相一致。

圖6 不同轉(zhuǎn)化時間植酸處理LA141鎂鋰合金表面形貌圖Fig.6 Surface morphology of LA141 magnesium-lithium alloy treated with phytic acid at different conver-sion time

圖6所示為試樣在轉(zhuǎn)化時間分別為5 min和10 min條件下獲得的LA141鎂鋰合金植酸轉(zhuǎn)化膜形貌的SEM掃描電鏡照片。當轉(zhuǎn)化時間為5 min時(見圖6 a))，轉(zhuǎn)化時間過短，此時合金表面生成的植酸轉(zhuǎn)化膜很薄，并出現(xiàn)少量的龜裂紋。當轉(zhuǎn)化時間為10 min時(見圖6 b))，形成的轉(zhuǎn)化膜完全覆蓋合金表面，此時轉(zhuǎn)化膜厚度增加，表面存在一些細小的裂紋，且形成的轉(zhuǎn)化膜上生成白色顆粒狀物質(zhì)。當轉(zhuǎn)化時間為15 min時(見圖5 b))，處理時間很長，裂紋變深。

轉(zhuǎn)化時間相對短時，由于植酸膜層還來不及形成，導致膜層覆蓋不完全，或者形成的膜層相對比較薄，防護效果差；而當時間過長時，膜層中水分增加，在干燥過程中，其脫水的程度大，導致膜層之間的應力大，使得轉(zhuǎn)化膜層之間裂紋增多、裂紋寬度增大，也會使得植酸轉(zhuǎn)化膜層的耐蝕性逐漸降低。綜上所述，從轉(zhuǎn)化膜的表面形貌來看，最佳的植酸處理轉(zhuǎn)化時間為10 min，這與圖3所示對LA141鎂鋰合金植酸表面處理試樣自腐蝕電流密度值結(jié)果相一致。

圖7 不同轉(zhuǎn)化液質(zhì)量濃度植酸處理LA141鎂鋰合金表面形貌圖 Fig.7 Surface morphology of LA141 magnesium-lithium alloy treated with phytic acid at different conversion solution concentration

圖7所示為試樣在植酸質(zhì)量濃度分別為15 g/L和25 g/L條件下獲得的LA141鎂鋰合金植酸轉(zhuǎn)化膜形貌的SEM掃描電鏡照片。當植酸質(zhì)量濃度為15 g/L時(見圖7 a))，形成的膜層很薄，且基本上沒有龜裂紋產(chǎn)生。當植酸質(zhì)量濃度為20 g/L時(見圖5 b))，植酸轉(zhuǎn)化膜完整度較好，膜層表面出現(xiàn)細小龜裂紋。當植酸質(zhì)量濃度為25 g/L時(見圖7 b))，膜層完整度不高且表面出現(xiàn)寬而深的龜裂紋。

植酸質(zhì)量濃度為15 g/L時，溶液中反應物少，植酸與合金反應不夠劇烈，轉(zhuǎn)化膜生成的速度相對比較慢，因此其形成的膜層厚度較薄，而當植酸溶液的質(zhì)量濃度進一步增大時，溶液中反應物增多，此時反應速度快，沉積在合金上的轉(zhuǎn)化膜層也相對比較厚，但當植酸質(zhì)量濃度為25 g/L時，反應過快，形成的氫氣迅速增多且速度加快，逸出時容易導致膜層開裂。因此，在本次實驗條件下植酸化學膜最適合的植酸質(zhì)量濃度為20 g/L，這與圖4所示處理LA141鎂鋰合金試樣表面得到的自腐蝕電流密度值結(jié)果相一致。

2.4 LA141鎂鋰合金最佳的成膜工藝

圖8為植酸轉(zhuǎn)化膜成膜影響因素與自腐蝕電流密度的關(guān)系曲線，由圖8并結(jié)合上述分析可知，溫度為25 ℃的條件下，處理溶液pH值為6、轉(zhuǎn)化時間為10 min、轉(zhuǎn)化液植酸質(zhì)量濃度為20 g/L，在此條件下(A2B2C2組合)自腐蝕電流密度值最小，其轉(zhuǎn)化膜的耐腐蝕性能最好，此時自腐蝕電流密度為2.818×10-5A/cm2。相比于正交試驗中最佳工藝參數(shù)下(5號試樣，A2B3C2組合)對應的腐蝕電流密度值3.154×10-5A/cm2更小。因此LA141鎂鋰合金植酸處理化學轉(zhuǎn)化膜的最佳工藝參數(shù)組合為A2B2C2，即在25 ℃的溫度下，pH值為6，轉(zhuǎn)化時間為10 min，植酸轉(zhuǎn)化液質(zhì)量濃度為20 g/L。

圖8 轉(zhuǎn)化膜成膜影響因素與自腐蝕電流密度值的關(guān)系Fig.8 Relationship between conversion film formation and self-corrosion current density

2.5 植酸處理前后的耐腐蝕性能

圖9 植酸處理前后的LA141鎂鋰合金極化曲線 Fig.9 Polarization curves of LA141 magnesium-lithium alloy before and after phytic acid treatment

表6為不同條件下對應試樣的自腐蝕電流密度值，圖9為最佳工藝參數(shù)下處理LA141鎂鋰合金試樣與未植酸處理試樣的極化曲線。由圖9和表6可知，未經(jīng)植酸處理的LA141鎂鋰合金的自腐蝕電流密度為5.051×10-4A/cm2，最佳工藝參數(shù)處理后LA141鎂鋰合金試樣的自腐蝕電流密度為2.818×10-5A/cm2，與未經(jīng)過植酸處理的LA141鎂鋰合金相比，植酸處理后試樣的自腐蝕電流密度值下降了1個數(shù)量級。表明經(jīng)過植酸處理后的合金表面形成植酸化學轉(zhuǎn)化膜可以明顯提高合金基體的耐腐蝕性能。

表6 植酸處理LA141鎂鋰合金前后的電化學擬合參數(shù)Tab.6 Electrochemical fitting parameters of LA141 magnesium-lithium alloy before and after phytic acid treatment

3 結(jié) 論

1)利用正交試驗對LA141鎂鋰合金植酸處理的結(jié)果進行分析可知，工藝參數(shù)對植酸處理LA141鎂鋰合金后耐腐蝕性能的影響程度為pH值>轉(zhuǎn)化時間>植酸質(zhì)量濃度。

2)隨著pH值或轉(zhuǎn)化時間或植酸質(zhì)量濃度的增加，LA141鎂鋰合金植酸處理的自腐蝕電流密度均呈現(xiàn)先減小、后變大的趨勢。

3)LA141鎂鋰合金植酸轉(zhuǎn)化膜最佳工藝參數(shù)如下：溫度為25 ℃，植酸轉(zhuǎn)化溶液pH值為6，轉(zhuǎn)化時間為10 min，植酸質(zhì)量濃度為20 g/L。

采用單一的植酸轉(zhuǎn)化處理技術(shù)對LA141鎂鋰合金進行防腐的效果仍比較有限，未來可探討通過化學轉(zhuǎn)化復合工藝進一步改善LA141鎂鋰合金的耐腐蝕性能。