铝合金微弧氧化处理及其对水性聚氨酯涂料附着力的影响
发布时间：2021-11-12 13:34
近年来轨道交通飞速发展,城际铁路、地铁、轻轨蓬勃发展,已成为未来几年我国基础设施建设投资的重点领域。而轻量化是实现高速铁路提速的最重要手段,实现轻量化的关键技术之一就是“以铝代钢”。但作为高铁车厢常用的7050铝合金电极电位比较低,当其和其他金属接触时,易作为阳极加速腐蚀,且其耐磨性较差。因而铝合金表面常喷涂一种或者多种涂料进行保护。其中,涂料的选择中随着经济的发展和社会的进步及人民环保意识的增强,在不断朝着挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds,VOC）排放较小的的水性涂料方面发展,水性涂料在高铁车厢方面的应用愈加广泛。不过水性涂料依然存在一些问题,比如水性聚氨酯涂层中亲水基团的存在,使得其在实际应用中又存在耐腐蚀性差等问题。为了满足高速铁路环保及耐腐蚀性能的要求本文采用硅酸盐电解液体系对7050铝合金进行微弧氧化处理,以制备表面均匀,耐腐蚀性能较高,且与水性聚氨酯结合强度优异的陶瓷层。并利用粗糙度仪表征膜层粗糙度、厚度仪表征微弧氧化（micro-arc oxidation,MAO）膜层厚度、扫描电镜（Scanning Electron Microsc...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微弧氧化膜层微观结构图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-微弧氧化膜层在元素组成方面既有基体中所有合金元素也有来自电解液的元素例如铝合金在硅酸钠电解液体系下生成的MAO膜层中含有大量的非晶相SiO2以及Al2O3等，因而可以利用硅烷偶联剂对MAO膜层进行疏水改性进一步提高与水性涂料的结合强度；从相组成上看，基体元素与氧或与电解液中的离子反应[45]生成的各种结构的氧化物是膜层的主体相，同时还有由基体中合金元素所形成的各种氧化物。铝合金微弧氧化膜的主晶相为氧化铝，其中α和γ相最常见，α相呈斜方六晶型，γ相为立方体晶型。另外α是最稳定的，熔点为2000°C左右，俗称刚玉；γ相是氧化铝在低温下的结晶，呈多孔状，故其性能不如α相，但在1200°C以上可单向方式转变为高温稳定相，并伴随有13%左右的体积收缩。图1-2MAO膜层表面的多孔结构大量科学研究表明[21,40,44,46,47]，铝合金微弧氧化膜层的主体晶相一般由α和γ相两种氧化铝晶体相组成，其中远离基体的膜层外表面α相含量减少，接近基体的过渡区γ相含量增多。Tian等人经过试验[43]分析认为，形成上述结构梯度的原因，主要与成膜时膜层中不同部位的冷却速率差异有关。1.3.3影响微弧氧化膜层性能的主要因素不同的处理工艺会造成微弧氧化膜层相组成，表面形状，粗糙度，厚度等差异，从而影响双膜层系统的结合力，抗腐蚀性能[23][42]，而影响微弧氧化膜层性能的主要因素如下：电参数的设定，有无负向脉冲，电压，电流，频率以及占空比等电参数的设置决定了微弧氧化过程中的能量供应情况，将大程度的影响微弧氧化膜层形成过程中膜层的击穿频率，放电通道的持续时间以及放电过程中的最高温度等，从而进一步影响微弧氧化膜层的孔隙率，相组成，粗糙度以及耐蚀性等等，而反应时间主要
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-图1-4膜层—涂料双膜层结构示意图Lu等人[37]研究了MAO预处理对AZ91D镁合金富镁底漆环氧树脂保护性能的影响。他们证明，由于MAO的结构，环氧树脂与Mg基底的粘附性增加。经过2400小时盐雾试验后，MAO预处理的涂料体系也显示出完美的屏障效果。由于MAO膜层的外层结构，有效结合面积的大大增加，可以使得环氧树脂和MAO膜层之间的粘合强度增强。Toorani等人[46]在AZ-31镁合金基体上研究了作为喷涂环氧漆料的预处理工艺，利用在电解质溶液中加入二氧化铈颗粒，成功将二氧化铈纳米颗粒包埋入微弧氧化膜层的微孔中，并且经过测试得知，具有阻隔作用及主动防护性能的二氧化铈可以提高双膜层系统的抗腐蚀性能，并略提高了环氧涂料的结合强度微弧氧化膜层中添加二氧化铈可以提高环氧树脂层的对基底的防腐蚀能力，以及和基底的粘覆强度。如图1-4。Cui，Xue-Jun等人[60]通过实验研究了MAO层在烘烤涂料(b-膜层)双体系中作为预处理的效果。发现与只经过MAO处理的样本相比，MAO后喷涂涂料的镁合金样品(b-膜层)腐蚀电流密度如图1-6，下降了两个或三个数量级，没有腐蚀现象的长期浸泡试验期间观察到约500h。(严重腐蚀坑被发现MAO-treated样品后约168h(沉浸)。B膜层的摩擦系数值与采用干滑动试验的MAO膜层的摩擦系数值相似，而在MAO膜层表面的涂料膜层显著提高了AZ91D镁合金的耐磨性。所有这些结果表明，B-膜层可以通过提供一个厚而密的屏障来进一步保护镁合金免受腐蚀和磨损。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TiO2纳米粒子对铝锂合金微弧氧化膜结构及性能的影响[J]. 于娟,汪杰,贺崇,史浩伯,刘建华,于美. 中国表面工程. 2019(04)
[2]我国木器涂料及汽车涂料中挥发性有机物特征[J]. 柯云婷,孙宇航,成海荣,刘锐源,黄皓旻,范丽雅,叶代启. 环境科学. 2020(10)
[3]水性聚氨酯涂料的功能化及性能[J]. 杨玉坤,王鑫,赵雄燕. 应用化工. 2020(04)
[4]涂料中VOC检测中存在的问题及对策[J]. 孔兰芬. 建材发展导向. 2020(04)
[5]水性涂料在铁路货车涂装中的运用探究[J]. 宋平. 中国设备工程. 2020(03)
[6]合金元素对铝合金在泰国曼谷地区初期腐蚀行为的影响[J]. 王力,董超芳,张达威,孙晓光,Thee Chowwanonthapunya,满成,肖葵,李晓刚. 金属学报. 2020(01)
[7]铝合金微弧氧化的研究进展[J]. 雷欣,林乃明,邹娇娟,林修洲,刘小萍,王志华. 表面技术. 2019(12)
[8]微弧氧化表面的溶胶-凝胶涂料封孔及其耐腐蚀性研究[J]. 邱宁,杨国亮,王振芳,陈益坪,金晓锋,陈新. 涂料工业. 2019(11)
[9]人民群众生态环保意识提高探讨[J]. 何昌盛. 湖北农机化. 2019(18)
[10]脉冲频率对7050高强铝合金微弧氧化膜层的影响[J]. 宗玙,宋仁国,花天顺,蔡思伟,王超,李海. 航空学报. 2019(11)
硕士论文
[1]7075-T6铝合金微弧氧化膜生长特征及第二相颗粒复合研究[D]. 王琪超.南昌航空大学 2019
[2]镁合金微弧氧化工艺及氧化物掺杂改性研究[D]. 曹文洁.西南石油大学 2019
[3]面向轻量化的高速动车组构架结构优化研究[D]. 李定远.西南交通大学 2015
[4]锻态7050铝合金热处理工艺研究[D]. 陈华宇.燕山大学 2015
[5]表面处理及环氧镁铝复合涂层对铝合金保护作用的电化学研究[D]. 张倩.北京化工大学 2014
本文编号：3491015
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微弧氧化膜层微观结构图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-6-微弧氧化膜层在元素组成方面既有基体中所有合金元素也有来自电解液的元素例如铝合金在硅酸钠电解液体系下生成的MAO膜层中含有大量的非晶相SiO2以及Al2O3等，因而可以利用硅烷偶联剂对MAO膜层进行疏水改性进一步提高与水性涂料的结合强度；从相组成上看，基体元素与氧或与电解液中的离子反应[45]生成的各种结构的氧化物是膜层的主体相，同时还有由基体中合金元素所形成的各种氧化物。铝合金微弧氧化膜的主晶相为氧化铝，其中α和γ相最常见，α相呈斜方六晶型，γ相为立方体晶型。另外α是最稳定的，熔点为2000°C左右，俗称刚玉；γ相是氧化铝在低温下的结晶，呈多孔状，故其性能不如α相，但在1200°C以上可单向方式转变为高温稳定相，并伴随有13%左右的体积收缩。图1-2MAO膜层表面的多孔结构大量科学研究表明[21,40,44,46,47]，铝合金微弧氧化膜层的主体晶相一般由α和γ相两种氧化铝晶体相组成，其中远离基体的膜层外表面α相含量减少，接近基体的过渡区γ相含量增多。Tian等人经过试验[43]分析认为，形成上述结构梯度的原因，主要与成膜时膜层中不同部位的冷却速率差异有关。1.3.3影响微弧氧化膜层性能的主要因素不同的处理工艺会造成微弧氧化膜层相组成，表面形状，粗糙度，厚度等差异，从而影响双膜层系统的结合力，抗腐蚀性能[23][42]，而影响微弧氧化膜层性能的主要因素如下：电参数的设定，有无负向脉冲，电压，电流，频率以及占空比等电参数的设置决定了微弧氧化过程中的能量供应情况，将大程度的影响微弧氧化膜层形成过程中膜层的击穿频率，放电通道的持续时间以及放电过程中的最高温度等，从而进一步影响微弧氧化膜层的孔隙率，相组成，粗糙度以及耐蚀性等等，而反应时间主要
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-图1-4膜层—涂料双膜层结构示意图Lu等人[37]研究了MAO预处理对AZ91D镁合金富镁底漆环氧树脂保护性能的影响。他们证明，由于MAO的结构，环氧树脂与Mg基底的粘附性增加。经过2400小时盐雾试验后，MAO预处理的涂料体系也显示出完美的屏障效果。由于MAO膜层的外层结构，有效结合面积的大大增加，可以使得环氧树脂和MAO膜层之间的粘合强度增强。Toorani等人[46]在AZ-31镁合金基体上研究了作为喷涂环氧漆料的预处理工艺，利用在电解质溶液中加入二氧化铈颗粒，成功将二氧化铈纳米颗粒包埋入微弧氧化膜层的微孔中，并且经过测试得知，具有阻隔作用及主动防护性能的二氧化铈可以提高双膜层系统的抗腐蚀性能，并略提高了环氧涂料的结合强度微弧氧化膜层中添加二氧化铈可以提高环氧树脂层的对基底的防腐蚀能力，以及和基底的粘覆强度。如图1-4。Cui，Xue-Jun等人[60]通过实验研究了MAO层在烘烤涂料(b-膜层)双体系中作为预处理的效果。发现与只经过MAO处理的样本相比，MAO后喷涂涂料的镁合金样品(b-膜层)腐蚀电流密度如图1-6，下降了两个或三个数量级，没有腐蚀现象的长期浸泡试验期间观察到约500h。(严重腐蚀坑被发现MAO-treated样品后约168h(沉浸)。B膜层的摩擦系数值与采用干滑动试验的MAO膜层的摩擦系数值相似，而在MAO膜层表面的涂料膜层显著提高了AZ91D镁合金的耐磨性。所有这些结果表明，B-膜层可以通过提供一个厚而密的屏障来进一步保护镁合金免受腐蚀和磨损。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TiO2纳米粒子对铝锂合金微弧氧化膜结构及性能的影响[J]. 于娟,汪杰,贺崇,史浩伯,刘建华,于美. 中国表面工程. 2019(04)
[2]我国木器涂料及汽车涂料中挥发性有机物特征[J]. 柯云婷,孙宇航,成海荣,刘锐源,黄皓旻,范丽雅,叶代启. 环境科学. 2020(10)
[3]水性聚氨酯涂料的功能化及性能[J]. 杨玉坤,王鑫,赵雄燕. 应用化工. 2020(04)
[4]涂料中VOC检测中存在的问题及对策[J]. 孔兰芬. 建材发展导向. 2020(04)
[5]水性涂料在铁路货车涂装中的运用探究[J]. 宋平. 中国设备工程. 2020(03)
[6]合金元素对铝合金在泰国曼谷地区初期腐蚀行为的影响[J]. 王力,董超芳,张达威,孙晓光,Thee Chowwanonthapunya,满成,肖葵,李晓刚. 金属学报. 2020(01)
[7]铝合金微弧氧化的研究进展[J]. 雷欣,林乃明,邹娇娟,林修洲,刘小萍,王志华. 表面技术. 2019(12)
[8]微弧氧化表面的溶胶-凝胶涂料封孔及其耐腐蚀性研究[J]. 邱宁,杨国亮,王振芳,陈益坪,金晓锋,陈新. 涂料工业. 2019(11)
[9]人民群众生态环保意识提高探讨[J]. 何昌盛. 湖北农机化. 2019(18)
[10]脉冲频率对7050高强铝合金微弧氧化膜层的影响[J]. 宗玙,宋仁国,花天顺,蔡思伟,王超,李海. 航空学报. 2019(11)
硕士论文
[1]7075-T6铝合金微弧氧化膜生长特征及第二相颗粒复合研究[D]. 王琪超.南昌航空大学 2019
[2]镁合金微弧氧化工艺及氧化物掺杂改性研究[D]. 曹文洁.西南石油大学 2019
[3]面向轻量化的高速动车组构架结构优化研究[D]. 李定远.西南交通大学 2015
[4]锻态7050铝合金热处理工艺研究[D]. 陈华宇.燕山大学 2015
[5]表面处理及环氧镁铝复合涂层对铝合金保护作用的电化学研究[D]. 张倩.北京化工大学 2014
本文编号：3491015
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