磁控溅射结合等离子体电解氧化处理提高AZ31镁合金表面性能的研究

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镁合金具有成本低且具有良好的可回收性、机械性能、成形性、生物相容性以及生物降解性等诸多特点,可满足多个领域的使用要求。但是由于镁合金的化学活性高导致其耐腐蚀性能差,这一缺点大幅限制了镁合金的应用。等离子体电解氧化技术(简称PEO)是一种表面工程工艺,适用于轻金属(Al,Mg,Ti)及其合金形成保护性陶瓷层。PEO作为保护镁合金腐蚀和磨损最有效的方法之一受到研究者们广泛的探索。目前,许多研究者关注到结合PEO技术的多工艺处理在镁合金表面制备出复合膜层。本文结合磁控溅射和PEO技术,分别在硅酸盐、铝酸盐和硅酸盐-六偏磷酸盐电解液体系中制备复合膜层,并探究了制备出膜层的耐腐蚀性能和耐摩擦性能。分别在硅酸盐和铝酸盐中制备出膜层。在硅酸盐电解液体系中制备的膜层表面具有“煎饼状”结构其内部具有横向分布的空洞,膜层为双层结构且主要由γ-Al2O3组成。在铝酸盐电解液体系中制备的膜层表面为“结节状”结构,膜层呈现单层的致密结构主要由α-Al2O3组成。通过干式滑动磨损和腐蚀试验研究了膜层的性能。试验证明磁控溅射镀铝层不能为基体提供良好保护。铝酸盐膜层在10 N和20 N载荷下均表现出优秀的耐摩擦性能,其磨损机制均为粘着磨损,其中20 N载荷下试样的磨损率仅为3.76×10-5 mm~3/(N·m)。硅酸盐膜层仅在10 N载荷下的摩擦试验中显示出低磨损率,但在20 N载荷下膜层被破坏,其磨损机制由粘着磨损转变为磨料磨损。腐蚀试验表明,PEO/Al的双重膜层显著提高AZ31镁合金的耐蚀性。硅酸盐和铝酸盐膜层的腐蚀电流密度分别为1.1×10-6(A cm-2)和1.6×10-6(A cm-2),对比基体的腐蚀电流密度降低3个数量级。但3.5 wt%的Na Cl的浸泡试验和电化学阻抗谱(EIS)试样表明,铝酸盐膜层具有更好的长期腐蚀防护性能。在硅酸盐-六偏磷酸盐电解液体系中进行PEO处理能完全消耗镀铝层。PEO处理5 min、10 min、12 min和16 min后膜层表面具有“煎饼状”结构,处理60min后“煎饼状”结构消失膜层表面分布大量孔洞。PEO处理过程的时间-电位曲线中正电位二次上升是由于镀铝层消耗完,镁合金基体参与成膜过程造成的。正电位上升前XRD测试仅能探测到Al相和γ-Al2O3相,随PEO处理时间延长能探测到Mg Si O3和Mg2Si O4相。同时EDS检测结果表明在正电位上升时间段内,PEO膜层中Mg元素比重快速上升。腐蚀试验证明,PEO处理后试样的Ecorr变正且Icorr减小。除PEO处理10 min后膜层对AZ31镁合金的保护效率为95.01%,其余膜层的保护效率均高于99%。处理60 min后试样的Icorr最小为5.680×10-6(A cm-2),此时PEO膜层对基体的保护效率最高达到99.92%。
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