5083鋁合金微弧氧化涂層的組織結(jié)構(gòu)與腐蝕性能

李學(xué)偉，王　鵬，田　宏，馮　翰，程皓然，孫福久

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150022；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信股份有限公司 錦州市分公司，遼寧 錦州 121000)

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5083鋁合金微弧氧化涂層的組織結(jié)構(gòu)與腐蝕性能

李學(xué)偉1，王鵬1，田宏1，馮翰2，程皓然1，孫福久1

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150022；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信股份有限公司 錦州市分公司，遼寧 錦州 121000)

針對海洋環(huán)境下5083鋁合金耐腐蝕性能差的問題，采用微弧氧化法在5083鋁合金表面制備陶瓷涂層，利用XRD和SEM分析涂層的組織結(jié)構(gòu)，通過電位極化曲線評價涂層在3.5%NaCl溶液中的腐蝕行為。結(jié)果表明：陶瓷涂層由γ-Al2O3相組成，氧化時間為3、8和15 min時，對應(yīng)涂層厚度為8、9和10 μm。微弧氧化處理后的5083鋁合金的腐蝕電流密度顯著降低，耐腐蝕性能提高。

鋁合金； 微弧氧化； 涂層； 腐蝕

5083鋁合金中的主要合金元素為鎂，具有良好的抗腐蝕性和可焊接性能，強度中等，在船舶、汽車、飛機焊接件、地鐵輕軌等[1-3]得到廣泛應(yīng)用。5083鋁合金基體易產(chǎn)生局部腐蝕[4]，尤其在要求耐磨防腐的艦船上，因此，進(jìn)一步提高5083鋁合金的耐腐蝕性能尤為重要[5-6]。微弧氧化(MAO)技術(shù)是廣泛應(yīng)用于鋁、鎂等輕金屬表面以生成耐磨、耐蝕、致密氧化物陶瓷膜的表面處理技術(shù)[7-8]。

筆者采用微弧氧化法在鋁合金表面制備陶瓷涂層，分析涂層的組織結(jié)構(gòu)，并評價涂層在3.5%NaCl溶液中的腐蝕行為。

1　材料與方法

1.1實驗材料

實驗所用基體材料是5083鋁合金，尺寸為10 mm×10 mm×4 mm，其化學(xué)成分如表1所示。

表1　5083鋁合金的化學(xué)成分

采用65 kW雙極脈沖電源對5083鋁合金表面進(jìn)行微弧氧化處理。電解液成分為：5 g/L的Na2SiO3、20 g/L的Na(PO3)6、6 g/L的Na2WO4和1 g/L的NaOH，電壓為550 V，頻率為600 Hz，占空比為8.0%，氧化時間為3、8和15 min。

1.2分析方法

采用德國Minitest 600B渦流涂層厚度測試儀，測量不同時間試樣涂層的厚度，測試點10個，測試精度2 μm。

利用Bruker D8 Advance X射線衍射儀對涂層進(jìn)行物相分析，參數(shù)為加速電壓40 kV，電流40 mA，步長0.02°，衍射角2θ為20°～80°。

采用掃描電子顯微鏡觀察涂層的微觀形貌。

1.3腐蝕實驗

采用美國 Gamry公司生產(chǎn)的 Reference600型電化學(xué)工作站對基體及涂層試樣的動電位極化曲線進(jìn)行測試。腐蝕環(huán)境：3.5%NaCl溶液。三個電極包括工作電極、對電極和參比電極，分別對應(yīng)測試試樣、鉑電極和飽和甘汞電極。電位以甘汞電極為標(biāo)準(zhǔn)，掃描電位范圍從-1.5 V開始，以0.5 mV/s的速度正向掃描直至膜層發(fā)生破壞。

2　結(jié)果與討論

2.1涂層的組織結(jié)構(gòu)

氧化3、8、15 min制備的5083鋁合金表面微弧氧化涂層厚度分別為8、9、10 μm。隨著氧化時間延長，涂層厚度增加。

圖1為5083鋁合金表面微弧氧化涂層的XRD圖譜。由圖1可見，涂層主要由γ-Al2O3相組成。隨著氧化時間的增加，圖譜中γ-Al2O3的峰值增強。圖譜中的Al衍射峰，是X射線穿透使基底也參與衍射的結(jié)果。

圖1　表面微弧氧化涂層XRD圖譜

Fig.1XRD patterns of MAO coatings on aluminum alloy

圖2為5083鋁合金表面微弧氧化涂層的表面形貌和截面形貌，氧化時間為15 min。由圖2可見，涂層表面為多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部致密，厚度約為10 μm，涂層與基體之間結(jié)合良好，無裂紋等微觀缺陷存在。

a　表面形貌

b　截面形貌

Fig.2Surface morphology and cross section morphology of MAO coating on aluminum alloy

2.2涂層的腐蝕性能

圖3為5083鋁合金在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線。由圖3可見，鋁合金的極化曲線具有典型的鈍化曲線特征。a點對應(yīng)的電壓為5083鋁合金的自腐蝕電位Ecorr，其值為-0.845 V；ab區(qū)極化電壓基本保持不變，電流密度逐漸增大；bc區(qū)電流密度隨著極化電壓升高先增大后基本保持不變，為5083鋁合金的鈍化區(qū)，鋁合金在有氧氣溶解的溶液中，其表面會形成一層電阻很大的鈍化膜，所以電流密度保持不變。c點對應(yīng)的縱坐標(biāo)為5083鋁合金的點蝕電位，當(dāng)外加電位超過點蝕電位時，該合金表面鈍化膜被擊穿，即產(chǎn)生點蝕。cd區(qū)為過鈍化區(qū)，隨著電壓的增加，電流密度急劇增大，鈍化膜溶解破裂。利用 Tafel外插法擬合5083鋁合金的極化曲線，得到合金的自腐蝕電流密度Icorr為1.12×10-8A/cm2。

圖3　5083鋁合金在3.5%NaCl溶液中動電位極化曲線

Fig.3Potentiodynamic polarization curve of 5083 aluminum alloy in 3.5% NaCl solution

圖4為5083鋁合金微弧氧化涂層試樣在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線。由圖4可見，與5083鋁合金基體相比，氧化時間為3和8 min的涂層自腐蝕電位都得到了提高，說明這兩個時間制備的涂層在3.5%NaCl溶液中發(fā)生腐蝕的傾向性低于鋁合金基體，而氧化時間為15 min的涂層自腐蝕電位降低了，表明涂層比合金基體更容易發(fā)生腐蝕，原因可能與涂層的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，即涂層內(nèi)層為致密層，表層為多孔的疏松層(圖2)。

圖4　微弧氧化涂層在3.5%NaCl溶液中動電位極化曲線

Fig.4Potentiodynamic polarization curves of MAO coating on 5083 aluminum alloy in 3.5% NaCl solution

表2為5083鋁合金微弧氧化涂層試樣在3.5%NaCl溶液中的自腐蝕電壓和腐蝕電流密度。由表2可看出，不同氧化時間制備的涂層自腐蝕電流密度均低于鋁合金基體的，說明涂層在發(fā)生腐蝕后，腐蝕速度都很緩慢。當(dāng)氧化時間t為15 min時，涂層的自腐蝕電流密度較鋁合金基體的低兩個數(shù)量級，該涂層的耐腐蝕性能更優(yōu)異。

表2微弧氧化涂層的自腐蝕電壓和腐蝕電流密度

Table 2Voltage and corrosion current density of MAO coating

t/minEcorr/VIcorr/A·cm-23-0.6266.01×10-98-0.7834.72×10-1015-0.8692.27×10-11

3　結(jié)　論

(1)涂層主要由γ-Al2O3相組成。電壓為550 V，氧化時間為3、8和15 min時，對應(yīng)的涂層厚度分別約為8、9和10 μm，涂層與基體之間結(jié)合良好。

(2)電化學(xué)腐蝕實驗表明，微弧氧化處理后的5083鋁合金在3.5%NaCl溶液中的腐蝕電流密度大大降低，其耐腐蝕性能得到提高。

[1]杜良,劉允中,羅霞,等.半固態(tài)5083鋁合金的二次加熱組織與觸變軋制[J].特種鑄造及有色合金,2001,31(12):1115-1120.

[2]冷文兵,袁鴿成,路浩東.5083鋁合金慢應(yīng)變速率拉伸下的應(yīng)力腐蝕行為[J].腐蝕與防護(hù),2009，30(11):794-796.

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[4]劉曉龍,魯亮,鄒志峰,等.5083鋁合金微弧氧化膜的制備及腐蝕特性[J].特種鑄造及有色合金,2013,33 (1):85-89.

[5]TSENG C C,LEE J L,KUO T H,et al.The influence of sodium tungstate concentration and anodizing condition on microare oxidation(MAO) coatings for aluminum alloy[J].Surface &Coatings Technology,2012,206:3437-3443.

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(編輯王冬)

Microstructure and corrosion property of micro-arc oxidation coating on 5083 aluminum alloy

LI Xuewei1,WANG Peng1,TIAN Hong1,FENG Han2,CHENG Haoran1,SUN Fujiu1

(1.School of Materials Science &Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China; 2.Jinzhou Branch,China United Network Communications Group Co.Ltd,Jinzhou 121000,China)

This paper is devoted to addressing the poor corrosion resistance of 5083 aluminum alloy exposed to the marine environment.The solution is achieved by preparing a ceramic coating by micro-arc oxidation on 5083 aluminum alloy;analyzing the phase composition and microstructure of the coatings by XRD and SEM;and evaluating the corrosion behavior of coatings in 3.5%NaCl solution by potential polarization curve.The results show that the coatings consisting of γ-Al2O3vary in thickness from 8 to 9 and 10 μm when the oxidation time ranges from 3 to 5 and 8 min.The microarc oxidation surface treatment affords a significant decrease in the corrosion current density of 5083 aluminum alloy,thus improving the corrosion resistance of coated 5083 alloy.

aluminum alloy;micro-arc oxidation;coating;corrosion

2016-04-25

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃項目(GC15F008)

李學(xué)偉(1965-)，男，河南省通許人，教授，碩士，研究方向：輕合金微弧氧化技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：lixueweilxw@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.03.012

TG174.45;TG166.3

2095-7262(2016)03-0292-03

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