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镁合金腐蚀研究进展(80)—AZ31镁合金表面原子层沉积Al2O3/微弧氧化涂层增强耐蚀性

已有 1368 次阅读 2023-12-1 22:57 |个人分类:科研进展|系统分类:科研笔记

    摘要:采用原子层沉积(ALD)技术在AZ31合金的微弧氧化(MAO)涂层上制备了Al2O3纳米膜。结果表明,经过1000次循环沉积的Al2O3完全密封了MAO涂层的孔隙。与MAO涂层相比,ALD MAO/Al2O3复合涂层的腐蚀电流密度降低了三个数量级。提出了复合涂层的形成及耐腐蚀机理。

    镁(Mg)合金重量轻、比强度高,但也易于腐蚀。除了合金化和变形加工等,通常采用表面涂层及技术来提高其耐蚀性能。这些方法包括化学转化、微弧氧化(MAO)或等离子体电解氧化(PEO)、层状双氢氧化物(LDH)、有机涂层及其复合涂层。其中,MAO是最受欢迎的方法之一,具有高硬度、良好的耐磨性和可接受的早期耐腐蚀性。然而,由于MAO涂层中固有的微孔和微裂纹,MAO涂层无法防止长期腐蚀。这是由于涂层化学腐蚀及其与基体之间的电偶腐蚀,通孔形成随后导致MAO涂层加速失效。因此,为了提高MAO涂层的长期耐腐蚀性,有效封孔是必要的措施。

    封孔方法有碱处理、沸水处理和纳米材料如HA(羟基磷灰石)、Al2O3 和TiO2一步法。 碱处理、沸水处理的确增加封孔效果,这是因为MgO转变为氢氧化镁。但这类处理后的涂层效果不会太理想,因为一旦环境改变,氢氧化镁可转变成MgO。MAO-纳米HA和氧化物复合涂层外层由纳米粒子覆盖,但里层没有覆盖,且外层与孔隙为机械或物理结合。覆盖是随机的,厚度增加有限,耐蚀效果也不是非常令人满意。

    原子层沉积(ALD)类似于化学气相沉积,是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器,在沉积基体上产生化学吸附反应而形成沉积膜的一种方法。或者说,是基于大气环境中连续和自饱和的表面化学反应,可以在高纵横比结构上形成可控和保形的连续致密膜层。

    ALD可用于提高大块材料(即钢、铜和镁合金)的耐腐蚀性。利用ALD技术可显著地提高MAO涂层的耐蚀性能。前人的工作和我们课题组前期研究工作都表面,ALD的确能够提供镁合金MAO的耐蚀性能。课题组采用ALD技术在MAO涂层上沉积的Ta2O5纳米薄膜实现了均匀分布和对MAO涂层中的微孔和微裂纹的有效密封;纳米薄膜中的Ta2O5主要以非晶态的形式存在。但Ta2O5的PB比达2.47,远远大于1.0,涂层存在较大的内应力,出现点蚀。Al2O3的PB比为1.31,如果通过ALD来制备MAO/Al2O3复合涂层,其耐蚀效果令人期待。

    研究表明,超薄Al2O3(约160nm厚)很好地密封了MAO涂层的微孔和裂纹。Al2O3纳米膜分布均匀,完全覆盖了MAO表面。与AZ31合金相比,Al2O3/MAO涂层的腐蚀电流密度降低了5个数量级。经过长期浸泡试验,Al2O3表面涂层保持完整和稳定。ALD-Al2O3薄膜有望成为镁合金表面微弧氧化涂层的一种新涂层。

论文“Corrosion resistance enhanced by an atomic layer deposited Al2O3 /micro-arc oxidation coating on magnesium alloy AZ31”(AZ31镁合金表面原子层沉积Al2O3/微弧氧化涂层增强耐蚀性)在线发表在国际期刊《Ceramics International》(https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.11.309)上,第一、二作者为山东科技大学硕士研究生焦佐军和于池,通讯作者为中国科学院子所(嘉兴)张柏诚研究员和山东科技大学曾荣昌教授。