電參數(shù)對(duì)Mg-7Gd-5Y-1.5Nd-0.5Zr鎂合金微弧氧化膜的影響

張 帆，張緒虎，單大勇，張 浩，杜志惠，周曉建

(1.航天材料及工藝研究所，北京 100076;2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所，沈陽(yáng) 110016)

鎂合金具有低密度、高的比強(qiáng)度和比剛度等優(yōu)點(diǎn)，因而，其在交通、航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景［1-2］.但是，鎂合金在服役條件下極易腐蝕，鎂合金腐蝕與防護(hù)技術(shù)的研究在一定程度上決定著鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性.因而，必須開發(fā)適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砉に噷?duì)鎂合金構(gòu)件進(jìn)行保護(hù).

微弧氧化(micro-arc oxidation，MAO)技術(shù)是近年來(lái)公認(rèn)的最有前途的鎂合金表面處理方法［3-4］.該方法采用電化學(xué)氧化處理結(jié)合溶液中高電壓火花放電處理，利用微弧區(qū)瞬間高溫?zé)Y(jié)作用直接在金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜.這層陶瓷膜結(jié)構(gòu)致密，與基體完全冶金結(jié)合，使金屬的耐磨性、耐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度以及電絕緣性都得到了很大的提高［5］.本文采用微弧氧化工藝對(duì)高強(qiáng)耐熱Mg-7Gd-5Y-1.5Nd-0.5Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)鎂合金進(jìn)行處理，研究了恒電流過(guò)程中電流、恒壓過(guò)程中電壓對(duì)膜層的影響規(guī)律，以及整個(gè)制備過(guò)程中占空比、頻率對(duì)膜層的影響規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)

采用的實(shí)驗(yàn)材料為高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下:Gd7.02%，Y4.95%，Nd1.51%，Zr0.5%.經(jīng)酸洗去除自然氧化膜、水磨砂紙打磨、自來(lái)水漂洗后進(jìn)行微弧氧化.電解液主要成分為氟鋯酸鉀、磷酸二氫氨、氟化鉀、檸檬酸鉀，氧化時(shí)電解液溫度保持在40℃以下，氧化時(shí)間為10 min.以所處理的鎂合金試樣為陽(yáng)極，盛裝電解液的不銹鋼容器兼做陰極.

采用6000-FN1數(shù)字式電渦流測(cè)厚儀測(cè)量微弧氧化陶瓷膜的厚度，每個(gè)試樣測(cè)量10次，取平均值作為最終結(jié)果;利用掃描電鏡(日立，S570)觀察陶瓷膜的表面形貌.

2 結(jié)果與分析

2.1 恒電流過(guò)程中電流對(duì)膜層的影響規(guī)律

圖1是恒流過(guò)程中不同電流密度條件下所制備膜層的表面形貌照片，由圖1可得到恒流過(guò)程中氧化膜厚度隨電流密度的變化曲線(見圖2).從圖中可以看出，當(dāng)電流密度為0.5 A/dm2時(shí)，膜層厚度相對(duì)較薄，為15 μm左右;當(dāng)電流密度提高到1 A/dm2后，膜層的厚度有所增加，達(dá)到17.8 μm;隨著電流密度的繼續(xù)增加(1.5 A/dm2)，膜層的厚度也增加到19.3 μm;當(dāng)電流密度提高到2 A/dm2時(shí)，膜層厚度增加到19.7 μm;當(dāng)電流密度為2.5 A/dm2時(shí)，膜層厚度為23.2 μm左右.這表明提高電流密度值有益于膜層厚度的增加，但影響并不顯著.

圖1 恒電流過(guò)程中電流密度對(duì)膜層表面形貌的影響

圖2 電流密度對(duì)膜厚的影響

圖3是恒流過(guò)程中不同電流密度條件下所制備膜層的表面形貌照片，可以看出，當(dāng)電流密度較小時(shí)(0.5 A/dm2)，膜層表面相對(duì)平整，膜層表面微孔的尺寸也較小;當(dāng)電流密度大于1 A/dm2后，膜層表面微孔的尺寸明顯增加.

2.2 恒電壓過(guò)程中電壓對(duì)膜層的影響規(guī)律

在研究電壓值對(duì)膜層的影響的過(guò)程中時(shí)，首先采用恒電流方式(2.0 A/dm2)將膜層氧化至一定的電壓下，然后采用恒電壓方式氧化10 min.

圖4是恒電壓過(guò)程中不同電壓條件下制備的膜層截面形貌照片，圖5為由圖4得到的恒壓過(guò)程中氧化膜厚度隨電壓的變化曲線.從圖4可以看出，當(dāng)電壓為300 V時(shí)，膜層厚度相對(duì)較薄，為14 μm左右;隨著電壓的增加，膜層的厚度也逐漸增加.當(dāng)電壓為350 V時(shí)，膜層厚度達(dá)到18.5 μm;當(dāng)電壓達(dá)到400 V后，膜層的厚度也增加到22 μm;當(dāng)電壓增加到420 V時(shí)，膜層厚度增加到26 μm;當(dāng)電壓達(dá)到440 V時(shí)，膜層厚度為27 μm左右.可見，隨電壓的增加，膜層厚度有了顯著增加.

圖3 恒電流過(guò)程中電流密度對(duì)膜層表面形貌的影響

圖4 恒電壓過(guò)程中電壓值對(duì)膜層截面形貌的影響

圖5 電壓對(duì)膜厚的影響

圖6是恒電壓過(guò)程中不同電壓條件下制備的膜層表面形貌照片.從圖6可以看出，當(dāng)電壓較低時(shí)(300 V，圖6(a))，膜層表面相對(duì)平整，膜層表面微孔的尺寸也較小;當(dāng)電壓提高到350 V后(圖6(b))，膜層表面微孔的尺寸明顯增加，膜層變得相對(duì)粗糙;隨著電壓的繼續(xù)增加膜層微孔的尺寸持續(xù)增加(圖6(c)).當(dāng)電壓提高到440 V以后(圖6(d))，膜層表面微孔尺寸變得不均勻，出現(xiàn)大量尺寸相對(duì)較大的微孔.

圖6 恒電壓過(guò)程中電壓值對(duì)膜層表面形貌的影響

2.3 頻率對(duì)膜層的影響規(guī)律

圖7是氧化膜厚度隨頻率的變化曲線.當(dāng)頻率為100 Hz時(shí)，膜層厚度為23.9 μm左右;當(dāng)頻率為300 Hz時(shí)，膜層厚度為23.2 μm;當(dāng)頻率為500 Hz時(shí)，膜層厚度增加到26 μm;當(dāng)頻率為800 Hz時(shí)，膜層厚度為23.2 μm左右;當(dāng)頻率增加到1200 Hz以后，膜層的厚度為22.8 μm.由此可見，頻率對(duì)膜層厚度影響較小.圖8為不同頻率條件下膜層的截面形貌，膜層表面存在較大尺寸的微孔，而鎂基體緊鄰處的膜層基本上不存在微孔.

圖9是不同頻率條件下制備的膜層表面形貌照片.從圖中可以看出，當(dāng)頻率較低時(shí)(100 Hz，圖9(a)，膜層表面組織很不均勻，膜層中存在較多尺寸較大的微孔;當(dāng)頻率提高到500 Hz以后(圖9(b)，膜層組織變得相對(duì)均勻，膜層中不存在尺寸相對(duì)較大的微孔;隨著頻率的進(jìn)一步增加，膜層表面微孔的尺寸有所降低(圖9(c).總的來(lái)說(shuō)，隨著頻率的增加，膜層表面微孔的尺寸先增加后降低.

圖7 頻率對(duì)膜層厚度的影響

圖8 不同頻率條件制備膜層的截面形貌

圖9 不同頻率條件制備膜層的表面形貌

2.4 占空比對(duì)膜層的影響規(guī)律

圖10是氧化膜厚度隨占空比的變化曲線.當(dāng)占空比為17%和35%時(shí)，膜層厚度為23.9 μm左右;當(dāng)占空比達(dá)到50%時(shí)，膜層厚度增加到26 μm;隨著占空比的進(jìn)一步增加，膜層的厚度有所降低，當(dāng)占空比為65%和80%時(shí)，膜層厚度均為22 μm.由圖可知，隨著占空比的變化，膜層厚度僅變化了4 μm，占空比對(duì)膜層厚度影響較小.

圖11是不同占空比條件下制備的膜層表面形貌照片.當(dāng)占空比小于50%時(shí)(圖11(a)，(b)，膜層表面組織比較均勻，膜層表面微孔的尺寸隨著占空比的提高逐漸減小;當(dāng)占空比提高到65%以后(圖11(c))，膜層組織變得不均勻，膜層中存在尺寸相對(duì)較大的微孔.由圖11可知，隨占空比的增加，膜層表面微孔尺寸先減少后增大.

圖10 占空比對(duì)膜厚的影響

圖11 不同占空比條件制備膜層的表面形貌

3 結(jié)論

1)電壓對(duì)氧化膜厚度影響顯著，電流密度對(duì)氧化膜厚度有影響但不顯著，占空比和頻率對(duì)氧化膜厚度影響較小.

2)隨著電流及電壓的增加，膜層表面微孔的尺寸逐漸增大;隨著頻率增加，膜層表面微孔的尺寸則先增大后減小，而隨著占空比的增加，膜層表面微孔尺寸則是先減小后增大.

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