鎂合金預(yù)鍍界面反應(yīng)與高致密鍍層電沉積的研究

輕質(zhì)鎂合金是性能優(yōu)良的綠色工程材料，但是嚴(yán)重的問題是鎂合金極易腐蝕，不致密的金屬鍍層會引起強烈的電偶腐蝕，現(xiàn)有工藝還不盡人意，需要研究使鎂合金獲得致密鍍層的新方法，完善電鍍工藝的新理論。本項目在強堿或非水有機溶液中，應(yīng)用兩步直接電沉積法來獲得致密的鋅/焦銅膜或鎳/焦銅膜預(yù)鍍層，然后在普通鍍液中再進行常規(guī)多層電沉積，從而得到高致密的無孔鍍層，以避免因電鍍陰極性鍍層而發(fā)生強烈的電偶腐蝕。整個電鍍過程取消了對環(huán)境十分有害的含氟含鉻含氰的表面處理步驟和化學(xué)鍍鎳過程，是一個簡潔、高效、環(huán)保的鎂合金電鍍新方法。項目研究電沉積溶液各組分對鎂合金腐蝕與鈍化的影響，建立鎂合金在鍍液中的腐蝕反應(yīng)和成膜反應(yīng)的理論模型。研究鎂合金表面電沉積高致密的Cu/Ni/Cr和Zn-Ni、Sn-Ni、Ni-P耐蝕金屬及合金鍍層，從而為難鍍鎂合金的耐蝕金屬涂層防護提供理論依據(jù)。采用兩步直接電沉積和非水電沉積方法是本項目的創(chuàng)新。 2100433B

電刷鍍的主要特點是鍍液濃度高、陰陽極間距小，并可相對運動，可允許使用較高的電流密度，進而優(yōu)化了結(jié)晶過程，限制了生成粗晶和粒狀結(jié)晶的可能，細(xì)化了結(jié)晶，因而鍍層結(jié)晶細(xì)密，孔隙少，耐蝕性十分優(yōu)異。電刷鍍復(fù)合電沉積原理與復(fù)合鍍的沉積機理基本相同，但在工藝上采用電刷鍍技術(shù)，而鍍液中主鹽濃度較高。

電刷鍍納米復(fù)合鍍層雖然在工程領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，徐濱士等人曾對電刷鍍納米微粒復(fù)合鍍層的組織及沉積過程進行了研究，在快速鍍鎳液中加入粒徑為30nm 的Al?O?納米微粒，得到納米微粒均勻分布的復(fù)合鍍層，且指出納米復(fù)合鍍層的生長過程與純鎳鍍層相似，可分為三個階段:均勻生長階段、微凸體形成階段和樹枝狀晶形成階段。

將脈沖技術(shù)用于納米電刷鍍Ni?SiO?復(fù)合鍍層。與直流電鍍相比，只要選擇適宜的脈沖參數(shù)，就能進一步提高納米復(fù)合鍍層的性能，使鍍層表面更光亮，晶粒更細(xì)，更均勻、致密、孔隙更小，同時還提高了強度和耐蝕性。

鎂合金具有低密度、高的比強度、比模量和優(yōu)異的阻尼減振性能等性能，同時鎂合金具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢和資源優(yōu)勢。因此鎂及其合金被稱為“第三個千年的特殊產(chǎn)品”，是繼鋼鐵材料、鋁合金之后又一重要的金屬結(jié)構(gòu)材料，其意義和作用正在為科學(xué)界、工業(yè)界和社會所理解。但是鎂在所有結(jié)構(gòu)金屬中具有最低電位，對其它任何結(jié)構(gòu)金屬呈陽極性，并且鎂合金表面自然狀態(tài)下形成的氧化膜疏松、多孔，不能保護內(nèi)部金屬不受腐蝕。所以，探討鎂合金的表面處理技術(shù)，解決其腐蝕問題對于鎂合金工程應(yīng)用具有很重要的意義。

常用的鎂合金表面處理方法有化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理、電化學(xué)氧化處理以及涂覆金屬或非金屬涂層處理等，相關(guān)的研究工作很多，但是對比鋁合金而言，其工藝水平和理論研究都有明顯差距。采用電弧噴涂技術(shù)在鎂合金表面噴涂鋁層后對鋁表面進行處理可獲得優(yōu)異的耐腐蝕性能，良好的鎂鋁界面結(jié)合是下一步利用鋁合金表面處理技術(shù)顯著提高材料的耐腐蝕性能的基礎(chǔ)。本文將探討鎂合金表面電弧噴涂鋁的界面結(jié)合性能及提高界面性能的一些工藝措施。

界面特性電弧噴涂純鋁的涂層特性

圖1為AZ91鎂合金電弧噴涂后鋁層拋光后的SEM照片，可以看到噴涂鋁層有一定量的孔洞，說明僅通過電弧噴涂獲得的鋁涂層不夠致密，孔洞將影響噴涂鋁層的力學(xué)性能。同時如果孔洞過多并連接形成貫穿裂紋將大大降低鋁涂層保護鎂基體的能力。圖2為AZ91鎂合金電弧噴鋁后的鎂合金與鋁的界面結(jié)合SEM照片，照片中黑色部分為鎂合金，白色部分為純鋁涂層，由照片可以明顯看到鎂合金基體與涂層間的空隙。能譜線掃描的結(jié)果如圖3所示，兩條曲線分別代表鎂元素和鋁元素的含量。由圖1、圖2、圖3可知，鋁層幾乎看不到鎂元素，而鎂基體中有相對較多的鋁元素(對比鋁層中的鎂元素)。其原因可能在于兩個方面：其一，鎂基體原來就含有一定量的鋁元素，而噴涂采用的是純鋁絲；其二，噴涂過程中鋁元素向鎂元素方向進行了擴散。進一步的實驗結(jié)果證明第二個原因的可能性是不存在的。

總之，經(jīng)電弧噴鋁后不進行任何處理的材料噴涂層本身和界面結(jié)合性能都不夠理想，難以通過進一步對鋁涂層進行如等離子體微弧氧化等表面處理，也無法滿足較為苛刻的使用要求。

界面特性熱處理工藝對界面結(jié)合性能的影響

為了更好的對比涂層與基體的界面結(jié)合性能，采用熱震實驗對鎂合金基體與噴鋁層結(jié)合強度進行測試。試樣采用連續(xù)加熱方式，加熱溫度由100℃～450℃，間隔50℃，保溫時間0.5h，連續(xù)冷卻。實驗結(jié)果表明：噴涂后無熱處理鋁涂層300℃即與基體發(fā)生脫離現(xiàn)象，而經(jīng)過真空條件下450℃保溫2h和250℃真空熱壓1h熱處理的樣品450℃仍未發(fā)生涂層脫落，說明熱處理可以改善界面結(jié)合性能。

界面特性研究結(jié)論

（1）鎂合金表面直接電弧噴涂鋁涂層，鋁涂層本身不夠致密，涂層與鎂基體間的界面結(jié)合為機械結(jié)合，界面結(jié)合不夠致密；

（2）通過較高溫度真空保溫和較低溫度真空熱壓都可以在某種程度提高界面性能，但較高溫度下真空保溫的工藝方法一定程度的導(dǎo)致基體晶粒長大而影響性能；真空熱壓不僅可以提高界面結(jié)合性能同時可以提高涂層自身的性能，并且可以采用較低的溫度，減少對鎂合金基體的影響。 2100433B