2024-T3鋁合金表面磁控濺射沉積氧化鈰基涂層的制備及耐腐蝕性能研究.pdf

1、金屬材料的腐蝕與防護(hù)一直是航空航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外大量研究集中于采用表面涂層工藝增強(qiáng)鋁合金的耐腐蝕性能。其中，鋁合金表面沉積鉻基涂層是過去80年里在航空航天和汽車工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的、耐腐蝕效果最好的、研究最透徹的涂層工藝。但近年來(lái)，六價(jià)鉻化合物因具有劇毒性和致癌性而被限制使用，此后，國(guó)內(nèi)外大量的研究集中于鉻膜替代物的研究與開發(fā)。其中稀土轉(zhuǎn)化膜，特別是鈰基轉(zhuǎn)化膜，是去鉻化涂層中給鋁合金提供腐蝕保護(hù)效果最好的涂層體系。然

2、而，現(xiàn)有的關(guān)于鋁合金表面鈰基防腐涂層的研究都是采用基于液相反應(yīng)的化學(xué)法來(lái)沉積鈰基涂層，這些化學(xué)方法的制備過程都涉及鈰基化合物及其他酸性或堿性溶液的使用和廢棄，對(duì)環(huán)境有較大的影響。采用化學(xué)法制備的氧化鈰基涂層存在較多微米級(jí)尺度的裂紋及缺陷，且與鋁合金基體的結(jié)合力不佳。此外，由于現(xiàn)有的基于液相反應(yīng)的制備工藝不能控制氧化鈰基涂層的化學(xué)組成，特別是其中Ce基團(tuán)的價(jià)態(tài)，至今鈰基涂層覆蓋的鋁合金基材對(duì)腐蝕介質(zhì)的響應(yīng)機(jī)制未能得到透徹的研究。因此，采用

3、綠色環(huán)保的制備工藝，改善鈰基涂層的表面形貌和膜基結(jié)合強(qiáng)度，深入探討涂層中Ce基團(tuán)的價(jià)態(tài)、涂層的微觀結(jié)構(gòu)與腐蝕性能間的關(guān)系，對(duì)鈰基涂層在高強(qiáng)鋁合金防腐領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有重要意義，也能為鈰基防腐涂層在其他金屬腐蝕保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)一定的啟發(fā)。
　　本文采用磁控濺射技術(shù)在Al2024-T3合金表面沉積了CeO2涂層，研究了的涂層的厚度、表面形貌、晶型結(jié)構(gòu)、膜基結(jié)合強(qiáng)度及電化學(xué)腐蝕性能，并分析比較了磁控濺射法制備的CeO2涂層與化學(xué)法所制

4、氧化鈰基涂層在形貌、結(jié)構(gòu)和腐蝕特性上的異同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與化學(xué)法制備的氧化鈰基膜層相比，磁控濺射沉積的CeO2涂層為Al合金基材提供了效果相當(dāng)或更佳的陰極抑制效應(yīng)，且具有更少的表面缺陷和更高的膜基結(jié)合強(qiáng)度，可以為2024-T3鋁合金基材提供較好的腐蝕保護(hù)。然而，本實(shí)驗(yàn)條件下制備的CeO2涂層并不具備磷化后期處理的氧化鈰轉(zhuǎn)化涂層所具有的動(dòng)態(tài)電化學(xué)活性，只能充當(dāng)腐蝕介質(zhì)和鋁合金基體間的靜態(tài)物理阻隔層。
　　采用共濺射法在CeO2涂層

5、的沉積過程中引入Al原子制備了Ce-Al-O涂層，分析比較了鋁合金基材表面沉積的Al、CeO2和Ce-Al-O三種涂層的晶體結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成及電化學(xué)腐蝕特性的異同，結(jié)果表明2024-T3鋁合金表面沉積的Al涂層為三維島狀晶態(tài)結(jié)構(gòu)，CeO2涂層為柱狀晶態(tài)結(jié)構(gòu)，二者均是作為腐蝕介質(zhì)和鋁合金基體間的物理阻隔層來(lái)為鋁合金基體提供一定的腐蝕保護(hù)，對(duì)Al合金基體的點(diǎn)蝕特性無(wú)改善。而對(duì)于Ce-Al-O涂層，Al原子在沉積過程中的引入使得柱狀晶

6、態(tài)CeO2結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芫鶆虻姆蔷Щ虺?xì)納米晶Ce-Al-O結(jié)構(gòu)，使純Al2024-T3合金基材的耐腐蝕性能提高三個(gè)多數(shù)量級(jí)，并大幅降低了鋁合金基體發(fā)生點(diǎn)蝕破壞的傾向。
　　通過改變CeO2靶材的功率，研究了Ce-Al-O涂層化學(xué)組成的改變對(duì)膜基體系電化學(xué)腐蝕性能的影響；并在保持 Ce-Al-O涂層化學(xué)組成不變的條件下，研究了Ce-Al-O涂層的厚度對(duì)Ce-Al-O涂層的微觀結(jié)構(gòu)和耐腐蝕性能的影響。結(jié)果表明， Ce-Al-O涂層厚

7、度的改變不會(huì)改變涂層在電化學(xué)測(cè)試中的動(dòng)態(tài)腐蝕響應(yīng)特性的本質(zhì)，但 Ce-Al-O涂層對(duì)鋁合金基體的電化學(xué)腐蝕過程的抑制效果，特別是對(duì)鋁合金基體陽(yáng)極點(diǎn)蝕過程的改善取決于涂層對(duì)樣品的有效覆蓋、涂層內(nèi)致密層厚度、及Ce(III)基團(tuán)的比例和含量。
　　通過長(zhǎng)期鹽浴浸泡實(shí)驗(yàn)研究了Al2024-T3合金基材表面磁控濺射沉積的CeO2和Ce-Al-O涂層的長(zhǎng)期腐蝕響應(yīng)，提出了CeO2和Ce-Al-O涂層對(duì)基材不同的腐蝕保護(hù)機(jī)制。當(dāng)涂層內(nèi)的Ce基

8、團(tuán)主要以Ce(IV)形式存在時(shí)，晶態(tài)CeO2涂層具有很好的化學(xué)惰性，是鋁合金基體和腐蝕介質(zhì)間優(yōu)異的阻隔層，涂層完好的情況下能為鋁合金基體提供良好的腐蝕保護(hù)，但破損的涂層不具備自修復(fù)能力；當(dāng)涂層內(nèi)的Ce基團(tuán)主要以Ce(III)形式存在時(shí)，所沉積的非晶態(tài)Ce-Al-O涂層具有致密的微觀結(jié)構(gòu)和良好的膜基結(jié)合強(qiáng)度，在腐蝕過程中基于Ce、Al、O原子間的氧化還原反應(yīng)和Ce離子的選擇性釋放而實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕介質(zhì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，涂層在一定程度上具有自修復(fù)的特性