低能耗鎂合金微弧氧化電解液設(shè)計(jì)及添加劑作用機(jī)制研究.pdf

1、鎂合金以其密度小、比剛比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。但鎂合金耐磨耐蝕性能差限制了其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此對(duì)鎂合金進(jìn)行表面改性處理意義重大。微弧氧化以工藝簡(jiǎn)單環(huán)保、膜層性能好等特點(diǎn)在鎂合金表面改性方面具有很大優(yōu)勢(shì),但同時(shí)微弧氧化屬于高電壓、大電流密度的工作過(guò)程,能耗高限制了其工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。發(fā)展低能耗微弧氧化技術(shù)是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵。本文提出了一種低能耗微弧氧化電解液的設(shè)計(jì)方法。為選擇適當(dāng)?shù)奶砑觿?提出了一種基

2、于陽(yáng)極極化曲線判斷微弧氧化起弧電壓的方法,以指導(dǎo)選擇具有低起弧電壓的成膜促進(jìn)劑;提出了Na2CO3誘導(dǎo)析氣反應(yīng)調(diào)制膜層結(jié)構(gòu)的反應(yīng)機(jī)制,提高膜層孔隙率進(jìn)行,降低微弧氧化的工作電壓;通過(guò)(NaPO3)6的絡(luò)合增厚機(jī)制提高了膜層生長(zhǎng)的速率。最終本文實(shí)現(xiàn)了鎂合金低能耗微弧氧化過(guò)程并制備了微弧氧化膜層,借助于掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)等手段對(duì)膜層的組織和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,利用摩擦磨損試驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)等測(cè)試對(duì)膜

3、層的性能進(jìn)行了測(cè)試。最后本文在鎂合金低能耗電解液中以低于1kW的功率成功實(shí)現(xiàn)了一次性對(duì)12dm2的鎂合金進(jìn)行微弧氧化處理,以小功率實(shí)現(xiàn)了對(duì)較大面積試件的處理,體現(xiàn)了低能耗微弧氧化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
　　鎂合金低能耗電解液的設(shè)計(jì)方法研究表明,選用適當(dāng)?shù)闹鼷}和pH調(diào)節(jié)劑,在電解液中引入可以降低微弧氧化起弧電壓的成膜促進(jìn)劑、適量的可以提高膜層表面孔隙率的膜層結(jié)構(gòu)調(diào)制劑以及適當(dāng)?shù)慕j(luò)合增厚劑,可以實(shí)現(xiàn)鎂合金低能耗微弧氧化。對(duì)于鎂合金,選用堿性磷酸

4、鹽體系作為基礎(chǔ)溶液體系,引入成膜促進(jìn)劑 NaF、膜層結(jié)構(gòu)調(diào)制劑 Na2CO3和絡(luò)合增厚劑(NaPO3)6作為低能耗微弧氧化電解液添加劑。
　　陽(yáng)極極化行為對(duì)鎂合金微弧氧化放電特性指導(dǎo)方法的研究結(jié)果表明,陽(yáng)極極化曲線可以作為判斷微弧氧化放電特性的依據(jù),進(jìn)而選擇利于降低微弧氧化起弧電壓的成膜促進(jìn)劑。在金屬的陽(yáng)極極化行為中不能發(fā)生鈍化現(xiàn)象的,則金屬在相應(yīng)電解液不能發(fā)生微弧氧化行為;對(duì)于可以使金屬前期形成氧化膜的電解液,陽(yáng)極極化行為中曲線

5、上對(duì)應(yīng)的鈍化區(qū)間寬度越大,則微弧氧化容易在低電壓發(fā)生放電;在鈍化區(qū)間寬度相近的情況下,鈍化膜層失穩(wěn)前極化電流越小則微弧氧化起弧電壓越低。Na2CO3誘導(dǎo)陽(yáng)極區(qū) CO2析氣調(diào)制膜層結(jié)構(gòu)的反應(yīng)機(jī)制研究表明,Na2CO3添加劑對(duì)微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)的調(diào)制是通過(guò)二級(jí)析氣反應(yīng)完成的。CO32-在電場(chǎng)作用下進(jìn)入陽(yáng)極區(qū)與Mg元素作用生成 MgCO3,MgCO3在微弧氧化放電瞬間高溫作用下發(fā)生分解 CO2逸出,熔融的氧化物來(lái)不及回填氣泡逸出時(shí)在膜層留下的大

6、量孔隙,提高了膜層內(nèi)部孔隙率,氣體逸出時(shí)留下的通道增加了微弧氧化膜層表面的孔隙率,由此實(shí)現(xiàn)對(duì)微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)的調(diào)制。(NaPO3)6絡(luò)合增厚機(jī)制研究表明,(NaPO3)6通過(guò)水解產(chǎn)物絡(luò)合微弧氧化過(guò)程中溶解到電解液的鎂元素,絡(luò)合離子團(tuán)在電場(chǎng)作用下重新進(jìn)入陽(yáng)極區(qū)參與反應(yīng)可提高膜層生長(zhǎng)速率。
　　單一添加劑及添加劑復(fù)合作用對(duì)微弧放電特性的影響研究表明,NaF添加劑既可以降低微弧氧化的工作電壓,又能有效提高微弧氧化膜層的成膜速率;Na2C

7、O3可以有效降低微弧氧化的工作電壓;(NaPO3)6添加劑對(duì)于提高膜層的生長(zhǎng)速率具有積極作用。三種添加劑通過(guò)這些不同方式都可降低微弧氧化膜層的單位能耗。在鎂合金微弧氧化電解液中同時(shí)引入NaF、Na2CO3以及(NaPO3)6三種添加劑可以起到良好的降低微弧氧化膜層單位能耗的效果。采用50 g/L Na3PO4+2 g/L KOH+30 g/L NaF+10 g/L Na2CO3+30 g/L(NaPO3)6作為AZ31鎂合金微弧氧化電解

8、液時(shí),微弧氧化膜層能耗可以低至4.71 kJ/dm2·μm。低能耗微弧氧化過(guò)程中弧斑燃燒時(shí)間極短,并且氧化過(guò)程中參與等離子放電種類較常規(guī)微弧氧化少。
　　添加劑對(duì)微弧氧化膜層組織結(jié)構(gòu)及性能的影響研究結(jié)果表明,NaF添加劑的引入會(huì)使膜層中出現(xiàn) MgF2相,另外會(huì)使膜層內(nèi)部缺陷減少,膜層變致密;適量NaF添加劑的引入有利于提高微弧氧化膜層耐腐蝕性能。Na2CO3添加劑的引入能夠提高膜層表面和內(nèi)部孔隙率,但不會(huì)改變膜層的組織結(jié)構(gòu)和成分。

9、適當(dāng)劑量的Na2CO3可以提高膜層的耐腐蝕性能,劑量較大時(shí)會(huì)降低膜層的耐腐蝕性能。(NaPO3)6添加劑對(duì)微弧氧化膜層形貌有影響,但不降低膜層的致密性;(NaPO3)6的引入會(huì)在膜層中引入 P元素,但不以晶體相形式存在;(NaPO3)6添加劑能夠提高膜層的電化學(xué)腐蝕和耐鹽霧腐蝕性能。
　　基于對(duì)低能耗微弧氧化電解液的研究,本文在AZ31鎂合金上制備了低能耗微弧氧化膜層。XRD、FT-IR和TEM等分析結(jié)果表明,鎂合金低能耗微弧氧化