鎂合金表面熔鹽自發(fā)置換擴滲鋁涂層制備及其耐腐蝕性能研究.pdf

1、鎂合金具有比重小、綠色環(huán)保等優(yōu)點,日益成為汽車、航空航天以及電子消費品等領(lǐng)域的重要材料。但是,鎂合金的耐腐蝕性能較差,這一直是阻礙其進一步應用的主要因素,也是鎂合金研究開發(fā)中存在的一個難題。因此,耐腐蝕與防護技術(shù)是鎂合金應用基礎(chǔ)研究的重要研究領(lǐng)域,開展該方面的基礎(chǔ)研究工作具有重要的經(jīng)濟和社會意義。
　　 本文開展了鎂合金表面熔鹽置換擴滲鋁涂層的制備及相關(guān)的耐腐蝕性能研究。通過把鎂合金基體置于熔融的等摩爾AlCl3和NaCl的混和

2、鹽中,進行置換反應并且保溫擴散,在鎂合金表面形成擴滲鋁涂層。其核心是在低于傳統(tǒng)的固體擴滲鋁的溫度條件下利用鎂合金自身高活性的特點,在低溫熔鹽中置換出活性鋁原子及形成新的合金相,隨著擴散過程的推進,最終形成合金相層狀分布的鋁涂層,提高鎂合金基體的耐腐蝕性能。主要研究結(jié)論如下:
　　 (1)當擴滲溫度較低或者擴滲時間較短時,鎂合金表面只形成了單一相γ相(Al12Mg17)層,并伴隨著δ(Mg)固溶體的析出；當擴滲溫度較高或者擴滲時間

3、較長時,AZ91D鎂合金表面從內(nèi)到外依次形成了過渡層δ(Mg)固溶體層,灰色滲層γ相(Al12Mg17)層,線狀結(jié)構(gòu)與亮灰色層ε相(Al0.58Mg0.42)層,白亮層β相(Al3Mg2)層,以及鋁涂層的最外側(cè)零星分布的亮層α(Al)的固溶體。擴滲溫度、擴滲時間以及基體中的初始原子濃度是影響擴滲層形成的主要因素。
　　 (2)對鎂合金表面熔鹽置換擴滲制備鋁涂層進行了熱力學分析,其中包含了置換反應的熱力學分析、擴散過程的熱力學分析

4、和合金相形成的熱力學分析。鎂合金與熔鹽能否發(fā)生置換反應產(chǎn)生活性原子可分為二個階段。第一階段:鎂合金與熔鹽的初始接觸階段；第二階段:鎂合金表面形成了一定厚度的擴滲層階段。上述兩個階段的熱力學分析,說明在熔鹽環(huán)境下鎂合金表面置換反應的自發(fā)性和Al元素擴散的持續(xù)性。通過對擴散過程進行熱力學分析,可以得出只要在鎂合金表面置換反應在持續(xù)進行,鎂合金表面與鎂合金基體內(nèi)部就存在Al元素的濃度梯度,那么就存在Al元素的擴散驅(qū)動力。對合金相形成過程的進行

5、熱力學分析,可以得到在115.86　　 (3)建立了鎂合金/熔鹽界面置換擴滲的物理模型。該模型的核心為通過置換反應提供活性的Al原子以及新的合金相析出,擴散過程逐漸推進,在鎂合金表面逐步形成了δ(Mg)層→Al12Mg17(

6、γ)層→Al0.58Mg0.42(ε)層→Al3Mg2(β)層。其中,擴散過程占主導地位,置換反應提供活性原子始終伴隨著擴散過程同時進行。
　　 (4)對鎂合金表面熔鹽置換擴滲制備鋁涂層進行了動力學分析,通過對擴散過程進行動力學分析得到了鎂合金表面熔鹽置換擴散過程中不同擴滲溫度和不同擴滲時間下Al在Mg中的表觀擴散系數(shù)和Mg在Al中的表觀擴散系數(shù)。其Mg在Al中的表觀擴散系數(shù)比純鎂擴散純鋁過程Mg在A1中的擴散系數(shù)有顯著提高,而

7、Al在Mg中的表觀擴散系數(shù)比純鎂擴散純鋁過程Al在Mg中的擴散系數(shù)大3～4個數(shù)量級。擬合得到了擴滲層的生長活化能為51666J·mol-1；推導了每個相厚度的生長模型,驗證了置換擴散過程中,其一相的生成是依靠消耗另一相與活性原子的擴散發(fā)生相變得到的,從而導致相界面的移動；建立了鎂合金/熔鹽界面置換擴滲的數(shù)學模型。
　　 (5)當熔鹽置換擴散滲鋁試樣沒有出現(xiàn)大的結(jié)構(gòu)缺陷時,呈連續(xù)態(tài)的γ相可完全隔離鎂合金基體與腐蝕介質(zhì)的接觸,對電子

8、的傳輸構(gòu)成屏障,使電荷轉(zhuǎn)移極化電阻增加,提高試樣的耐蝕性；而當置換擴散滲鋁層中出現(xiàn)了脆性β相,導致裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷時,由于γ相的電極電位低于β相,因此,在腐蝕溶液中就會發(fā)生電偶腐蝕,γ相作為有效的微電偶陰極而加速置換擴散滲鋁層的腐蝕導致耐腐蝕性能降低。
　　 本文的主要創(chuàng)新點如下:
　　 (1)嘗試采用熔鹽置換擴滲工藝方法,在鎂合金表面成功制備了成分呈梯度分布和相結(jié)構(gòu)層狀分布的富鋁涂層,擴滲溫度明顯低于傳統(tǒng)的鎂合金表面固體