AZ91镁合金电火花沉积涂层及腐蚀行为研究
本文关键词：AZ91镁合金电火花沉积涂层及腐蚀行为研究
【摘要】：镁合金作为一种密度低、比强度、比刚度高的工程结构材料,已经广泛的应用于航天航空、军工、电子、汽车等领域;但是由于镁及镁合金的电极电位较低,在空气或者腐蚀物存在环境中极易发生腐蚀现象,这些极大限制了镁合金的推广和应用。本文在AZ91D镁合金表面电火花沉积AZ81合金电极丝材,并利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)等研究手段分析了电火花沉积电压、沉积频率和占空比等工艺参数对改性层截面形貌、涂层厚度、表面粗糙度的影响,并得出最佳电火花沉积工艺;同时,在AZ91D镁合金表面电火花沉积A356合金、AZ81-La合金涂层及对其表面进行钨极重熔改性处理,进行12、24、36小时不同时间段的3.5%Na Cl溶液浸泡试验和电化学极化曲线测试,进而探讨电火花沉积铝涂层、AZ81-La涂层及钨极重熔改性层对基材耐腐蚀性行为的影响,并对各涂层的耐腐蚀性机理进行分析;结合SEM、EDS、XRD衍射分析仪对AZ81-La元素分布、相结构、显微组织对涂层耐腐蚀性行为进行分析和研究。得出以下结论:①当电火花沉积频率、占空比一定,沉积电压从25V增大到45V时,脉冲放电能量增加,瞬间释放的能量加剧,电极丝材及母材的熔化量加大,涂层的厚度随工作电压的提高而变厚,此外,涂层内部也出现大量孔洞、裂纹等缺陷;涂层致密度、均匀性呈现先好转再逐步变差的趋势,沉积电压为30V时涂层表面粗糙度值最低。②当电火花沉积电压、占空比一定,沉积频率从150Hz增大至350Hz时,单位时间内放电次数增多,但是单次放电持续时间减少,能量降低,工作电极和母材熔化量降低,熔滴之间融合相对低频率表现良好,使得涂层表现出较小的粗糙度值;熔化量的减少也使得涂层厚度由190um逐渐减小到120um左右;同时,熔化速率和沉积速率的下降让外界空气容易的卷入涂层内部,造成涂层表面致密性、均匀性有所下降,内部孔洞缺陷相对增多。③当电火花沉积电压、频率一定,占空比为40%时,涂层内部充有较多微小孔洞、裂纹缺陷,涂层厚度较薄、粗糙度较大,当占空比为50%,电极、母材的熔化量适中,涂层粗糙度较小,厚度有所提高,涂层变得致密、均匀;当占空比达到55%、60%时,放电能量加剧,电极及母材熔化量增多,金属液流动性加快,形成具有一定规律的方向性的表面,涂层呈粗糙度较大的灰色橘皮状。④AZ91D基材在浸泡实验中,由于铝含量相对较低的α-Mg相与铝含量较高的β-Mg17Al12相比表现出较强的活泼性,故腐蚀优先发生在贫Al区α-Mg相内,之后逐渐向周围扩展,并终止于弯曲状的铝含量高的β-Mg17Al12相。电火花沉积铝涂层经过12、24、36小时不同时间段浸泡实验结果表明,氯离子很容易被吸附到裂纹缝隙内部,并因腐蚀裂纹内-外存在电极电位差别的激活态-钝化态微小腐蚀电池最终导致了巨大的腐蚀环形貌。⑤镁合金钨极重熔改性层经过12、24、36小时的浸泡实验后,涂层表面从腐蚀坑、孔洞较小的保持原有整体涂层形貌逐渐演变为具有微小的疏松多孔的腐蚀形貌;而AZ81-La涂层经过不同时间段的腐蚀后,其表面形貌变化不大,腐蚀表面依旧平整,受腐蚀区域面积较小。⑥电化学极化曲线测试结果显示,钨极重熔改性层、AZ81-La涂层的自腐蚀电位Ecorr分别为-1.49 V,-1.33V,与基体相比,往正方向移动了120m V、280m V。AZ81-La涂层、钨极重熔改性层自腐蚀电流密度i=7.8×10-6 A·cm-2、i=3.2×10-5 A·cm-2较基材相比分别降低了约两个、一个数量级,二者均对合金耐腐蚀有一定程度的提高。⑦电火花沉积AZ81-La涂层中,La元素主要集中于第二相,涂层中Al-La-Mn(Al8La Mn4)、Al11La3耐腐蚀相出现与增多,提高了母材基体在Na Cl溶液中的自腐蚀电位;La元素的加入使涂层中细小片状的β相增多,增加了腐蚀阻碍作用,另外,板块结构状的Al-La-Mn(Al8La Mn4)相和扎钉状Al11La3相结构不易发生脱落能有效的减少腐蚀发生的可能性。⑧显微硬度测试结果表明:电火花沉积涂层的硬度值明显高于AZ91D镁合金基材,AZ81-La涂层硬度值达到181.2Hv,钨极重熔改性层和铝涂层硬度值分别达到104.8Hv和150.4Hv。
【关键词】：涂层 电火花沉积 镁合金 耐蚀性 显微组织
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：
- 中文摘要3-5
- 英文摘要5-11
- 1 绪论11-20
- 1.1 引言11
- 1.2 镁合金及其腐蚀行为11-12
- 1.3 镁合金的耐蚀途径12-16
- 1.3.1 热喷涂技术12
- 1.3.2 激光熔敷技术12-13
- 1.3.3 化学镀13
- 1.3.4 表面固态扩渗13-14
- 1.3.5 微弧氧化14-15
- 1.3.6 热浸镀15-16
- 1.4 电火花沉积技术16-18
- 1.4.1 电火花沉积技术机理16
- 1.4.2 电火花沉积技术特点16-17
- 1.4.3 电火花沉积技术的应用17-18
- 1.5 研究内容及方法18-20
- 2 AZ91 镁合金表面电火花沉积工艺的研究20-40
- 2.1 实验材料20-21
- 2.1.1 基体材料20-21
- 2.1.2 电极材料21
- 2.2 实验所用设备21-22
- 2.3 样品的表征22
- 2.3.1 扫描电镜和能谱分析22
- 2.4 电火花沉积工艺及参数确定22-23
- 2.5 影响电火花改性层截面形貌及厚度的因素23-31
- 2.5.1 沉积电压对改性层截面形貌及厚度的影响23-26
- 2.5.2 沉积频率对涂层截面形貌及厚度的影响26-28
- 2.5.3 占空比对涂层截面形貌及厚度的影响28-31
- 2.6 影响电火花沉积涂层表面粗糙度的因素31-37
- 2.6.1 沉积电压对涂层表面粗糙度的影响31-34
- 2.6.2 沉积频率对涂层表面粗糙度的影响34-36
- 2.6.3 占空比对涂层表面粗糙度的影响36-37
- 2.7 沉积层截面元素分布37-39
- 2.8 本章小结39-40
- 3 电火花沉积层腐蚀行为及腐蚀机理分析40-55
- 3.1 实验材料与工艺40-41
- 3.1.1 实验材料40
- 3.1.2 实验工艺过程40
- 3.1.3 涂层浸泡实验测试40-41
- 3.1.4 涂层电化学行为测试41
- 3.2 电火花沉积改性层及AZ91D镁合金自腐蚀形貌41-45
- 3.2.1 沉积改性层及镁合金浸泡试验 12h后腐蚀形貌41-42
- 3.2.2 沉积改性层及镁合金浸泡试验 24h后腐蚀形貌42-44
- 3.2.3 沉积改性层及镁合金浸泡试验 36h后腐蚀形貌44-45
- 3.3 电火花沉积改性层及AZ91D镁合金腐蚀电化学行为45-47
- 3.4 电火花沉积改性层及镁合金腐蚀性机理分析47-54
- 3.4.1 AZ91D镁合金腐蚀性机理分析47-48
- 3.4.2 电火花改性沉积铝涂层腐蚀性机理分析48-49
- 3.4.3 电火花钨极重熔改性层腐蚀性机理分析49-50
- 3.4.4 电火花沉积AZ81-La涂层腐蚀性机理分析50-51
- 3.4.5 电火花沉积AZ81-La电极丝材元素及XRD图谱分析51-53
- 3.4.6 电火花沉积AZ81-La涂层Al-La和Al-La-Mn相结构对腐蚀的影响53-54
- 3.5 本章小结54-55
- 4 电火花沉积改性涂层硬度测试与分析55-57
- 4.1 显微硬度的测试55
- 4.2 晶粒尺寸对合金硬度的影响55
- 4.3 涂层的显微硬度值及机理分析55-56
- 4.4 本章小结56-57
- 5 结论与展望57-59
- 5.1 结论57-58
- 5.2 展望58-59
- 致谢59-60
- 参考文献60-65
- 附录 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：65
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