稀土Gd和表面涂层对镁锂合金微观组织、力学性能及耐腐蚀性能的研究

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镁锂合金表现出低密度和高强度/重量比的诱人组合,使它们成为轻质工程应用的理想选择。然而,镁锂合金的高化学活性极大地限制了其应用,特别是在汽车和航空航天工业中,在这些行业中,暴露在恶劣的工作条件下是不可避免的。因此,为镁锂合金开发有效的防腐蚀系统对于它们的工业应用来说是一个非常重要的问题。本文通过微观组织表征、力学性能测试以及耐腐蚀性能等各种分析测试方法对挤压态Mg-8Li-3Al-x Gd(x=0,0.6,1.2,1.8 wt.%)以及Mg-9Li-1Zn各种合金的组织及性能进行研究,为之后的研究提供了更为有利的证据。挤压态Mg-8Li-3Al-x Gd(x=0,0.6,1.2,1.8 wt.%)合金的表面组织及各方面性能的研究结果显示:Mg-8Li-3Al(简称LA83)合金主要是由长块状的α-Mg和β-Li以及颗粒状的Al Li这三种相组成。在LA83基体合金中添加Gd元素之后,块状的α-Mg相变成了细长状,并且合金中产生了新的Al2Gd相,这主要是因为在Mg-8Li-3Al-x Gd(x=0,0.6,1.2,1.8 wt.%)合金中(111)Al2Gd//(0001)α-Mg之间有较好的晶体学取向关系,并且(111)Al2Gd//(0001)α-Mg、(111)Al2Gd//(11(?)0)α-Mg和(111)Al2Gd//(01(?)0)α-Mg的平均晶格失配率分别为12.96%、4.37%和9.63%,这些值均小于15%。所以合金在凝固过程中,Al2Gd颗粒能够作为α-Mg相的有效异质形核衬底,使其成为非均质形核基体,影响位错的移动,从而细化α-Mg相。在挤压态Mg-8Li-3Al-x Gd(x=0,0.6,1.2,1.8 wt.%)合金中,LA83-1.2 Gd合金的抗拉强度(UTS)达到最大值为278 MPa,比LA83合金的206 MPa增加了约35%。影响挤压态Mg-8Li-3Al-x Gd(x=0,0.6,1.2,1.8 wt.%)合金性能的原因是加入Gd后合金中产生的Al2Gd相对镁锂合金性能的影响。采用Princeton P4000电化学工作站对挤压态Mg-8Li-3Al-x Gd(x=0,0.6,1.2,1.8 wt.%)合金的耐蚀性能进行了测试。综合电化学结果表明,在LA83合金中加入Gd元素之后,LA83-x Gd(x=0.6,1.2,1.8 wt.%)合金的耐蚀性能均得到了提高,其中LA83-1.2Gd合金的腐蚀电位(Ecorr)相比于其他合金最高,为-1.51(VSCE)。除此之外,LA83-1.2Gd合金的腐蚀电流密度(icorr)为26.25μA/cm~2,相比LA83基体合金降低了64%。在LA83合金加入稀土元素Gd导致合金的耐蚀性能降低,在LA83合金的界面处有Al Li/α-Mg、β-Li/α-Mg和Al Li/β-Li三种微电偶。添加Gd元素后,合金中会产生一些Al2Gd相,会消耗合金中大量的Al元素,会使Al Li相降低甚至被Al2Gd相取代,因此Al2Gd相变成了微电偶腐蚀过程中的主阴极相。并且,在我们早期的研究发现Al Li/α-Mg、Al2Gd/α-Mg和β-Li/α-Mg所对应的电位差分别是340 m V、250 m V和135m V。由此可见,Al2Gd/α-Mg的电位差小于Al Li/α-Mg的电位差,Al2Gd相作为主阴极相会使微电偶腐蚀过程的强度显著降低。因此,在LA83合金中加入稀土Gd会使合金的耐腐蚀性能提高。采用傅利叶红外光谱(FIRT)、扫描电子显微镜(SEM)、电化学测试等表征手段详细地研究了单层涂层及双层涂层对Mg-9Li-1Zn(简称LZ91)合金微观组织以及耐腐蚀性能的影响。没有进行表面涂层的LZ91基体合金主要是由α-Mg和β-Li相组成,对合金进行阳极氧化涂层处理后的合金,表面会生成Mg(OH)2保护膜。在阳极氧化涂层合金的表面涂覆不同体积比的正乙氧基硅烷(TEOS)和γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的混合溶液(简称硅烷溶液)。通过电化学测试综合分析得到,对LZ91基体合金进行单层阳极氧化涂层以及阳极氧化/硅烷双层涂层可以有效的降低合金的腐蚀电流密度,因为不论是单层阳极氧化涂层还是双层涂层都是通过沉积阻挡层来实现的,防止材料与腐蚀环境接触。但由于阳极氧化涂层表面在涂层过程中形成的保护膜是逐层堆积,因此表面会形成很多孔洞,硅烷溶液所起到的作用就是覆盖阳极氧化涂层的孔洞,从而更好的保护合金,使其表面不易被腐蚀。在阳极氧化涂层的表面加入不同的缓蚀剂对合金的耐蚀性能会产生不同的影响。Na OH跟乙二胺四乙酸二钠盐的混合溶液是一种p H值为碱性的缓蚀剂,在单层阳极氧化涂层后的合金表面加入Na OH跟乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA-2Na)的混合溶液没有提高合金的耐蚀性能。但是在单层涂层的合金表面加入硅酸钠溶液可以有效提升合金的耐蚀性能,因为单层阳极氧化涂层表面的Mg(OH)2会与硅酸钠发生反应,同样也会在表面形成一层透明的硅酸盐涂层,从而提高合金的耐蚀性能。
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