镁合金表面无铬铈钒转化膜制备及防护性能研究

发布时间：2018-04-23 03:40

本文选题：镁合金 + 铈盐　；参考：《西安建筑科技大学》2016年博士论文

【摘要】：由于资源丰富及具有轻量化、比强度高、铸造性好等优点,镁合金已成为汽车、航空航天、国防以及高科技产品首选使用材料。但镁合金耐蚀性差制约了其广泛的使用。国内外针对镁合金表面防腐处理进行了大量的研究,其中化学转化技术因工艺能耗低、成本低廉、操作过程简便等优点,而受到越来越多的重视。传统化学转化处理工艺使用的铬酸盐由于其高毒性,高致癌性而被限制应用。因此,开发合适的替代转化处理工艺已十分迫切。为此,本文以AZ31镁合金为对象,以制备新型无铬铈钒化学转化膜、揭示其成膜机理和防护机制为目标,展开研究。主要研究内容及相关结论如下:(1)结合铈盐和钒酸盐转化膜对镁合金的防护特点,提出镁合金上制备新型无铬铈钒化学转化膜的表面处理技术。通过正交实验及单因素实验优化确定的制备工艺条件为:Ce(NO3)3浓度为9.21 mM,NaVO3浓度为19.7 mM,pH=2.5,成膜温度为50℃,成膜时间为20 min。最佳工艺制备的转化膜为金黄色,微观形貌为大量球形颗粒堆积组成,并且表面均匀分布网状微裂纹。其膜层结构为无定形,膜厚为1.98μm左右,有内外两层,内层主要由Mg、Al、V、F和O组成,外层主要由Mg、V、Ce和O组成。(2)考察了成膜因素对转化膜的微观形貌与成分及膜层耐蚀能力的影响,并采用电化学测试技术监测成膜过程电化学信息的变化,提出了铈钒转化膜的形成机理。结果表明:铈盐与钒酸盐协同转化成膜,其过程分为三个阶段:MgF2-MgO膜及基体的溶解阶段、内层钒酸盐转化膜形成阶段、CeVO4颗粒快速沉积阶段。各成膜因素通过对这三个阶段中发生的固液界面化学反应的影响而影响形成膜的形貌及成分,进而影响膜层的耐蚀能力。(3)通过中性盐雾实验、NaCl溶液浸泡实验、划痕实验以及模拟划痕实验对铈钒转化膜的耐蚀性及自愈合性进行评价。借助各种表征手段以及电化学测试技术研究了转化膜在NaCl溶液浸泡过程中的腐蚀与自修复行为,提出了其自愈合机理。实验结果表明:铈钒转化膜的耐中性盐雾时间至少为96 h,并且转化膜使镁合金的自腐蚀电位提高157 mV左右,腐蚀电流密度降低2个数量级,容抗弧扩大了30倍左右。在7天NaCl溶液浸泡过程中,不仅完整膜层对镁合金表现出良好的防护效果,而且带划痕的膜层同样未出现腐蚀,表现出自修复现象。膜层的这种特性主要由膜层中V的迁移转化提供,其能够在暴露的镁合金表面形成主要含V、Mg的氧化/氢氧化物的钝化膜。(4)为了进一步增强铈钒转化膜的防护性能,采用硬脂酸对铈钒转化膜进行改性处理,并对改性后的膜层进行表征。通过正交实验优化确定的改性工艺条件为:硬脂酸浓度为10 g/L,反应温度为25℃,反应时间8 h。考察了反应时间对改性膜层微观形貌、表面接触角与耐蚀性的影响。通过中性盐雾实验与电化学测试技术对其耐蚀性进行评价。并对硬脂酸改性铈钒转化膜在NaCl溶液浸泡过程中的腐蚀行为进行了研究。研究结果表明:反应时间对改性膜层的耐蚀性影响最大,表现为反应时间越长,耐蚀性越好。改性处理后,形貌由球状颗粒堆积转变为菜花状,同时,原有膜层的裂纹被修补。CH3(CH2)16COO-通过化学键合作用成功接枝到铈钒转化膜上,使膜层由亲水性转变为超疏水性,接触角达到154.6°。膜层耐盐雾时间提升至22天。与改性前相比,膜层的自腐蚀电位正移149 mV,腐蚀电流密度降低了2个数量级,膜层电阻至少提高了28倍。硬脂酸改性对转化膜在3.5 wt.%NaCl溶液中长期浸泡的防护能力也有明显的增加作用,并且,硬脂酸改性作用对膜层的自愈合能力没有影响。研究结论证明:铈钒转化膜可以显著提高镁合金的耐蚀性,在腐蚀环境中为镁合金提供良好防护。同时可以与其他有机物质作用增强膜层的屏蔽作用,进一步提升膜层的耐蚀性。这对镁合金及其他金属表面防护设计具有现实的理论指导意义,同时也有一定的实际应用前景和价值。
[Abstract]:Magnesium alloy has become the first choice material for automobile , aerospace , national defense and high - tech products because of its rich resource and light weight , high specific strength and good casting property . The results are as follows : ( 1 ) The preparation process is characterized by low energy consumption , low cost , simple operation and so on . The main research contents and relevant conclusions are as follows : ( 1 ) The structure of the membrane layer is amorphous , the film thickness is about 1.98渭m , and the inner layer is composed of Mg , Al , V , F and O . The outer layer is mainly composed of Mg , V , Ce and O . ( 2 ) The influence of film forming factors on the microstructure and composition of the conversion film and the corrosion resistance of the film layer were investigated . The mechanism of formation of cerium - vanadium conversion film was studied by means of various characterization methods and electrochemical test . ( 4 ) In order to further enhance the protective performance of the cerium - vanadium conversion film , the modification of the cerium - vanadium conversion film was carried out by stearic acid and the modified membrane layer was characterized .

【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG178

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