镁基纳米复合材料在不同溶液中的腐蚀行为研究

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镁基复合材料具有许多优异的力学性能,因而应用前景广阔,在医疗、交通工具以及航空航天等方面得到了广泛的应用。镁基复合材料的耐腐蚀性能是限制其快速发展的一个重要因素,且目前基于镁基复合材料的耐腐蚀性能研究不够系统,因此,研究镁基复合材料的腐蚀性能和腐蚀机理极为关键。本文采用粉末冶金工艺制备了Mg/SiO2和Mg/HAP镁基纳米复合材料。采用光学显微镜、扫描电镜和激光共聚焦显微镜等测试仪器对镁基复合材料腐蚀前后的显微组织和三维组织结构表征,并通过析氢、失重法、极化曲线以及交流阻抗等测试方法测量复合材料的腐蚀速率,同时,采用X射线光电子能谱对腐蚀产物成分进行定量分析和扫描开尔文探针力显微镜分析复合材料表面的电势分布情况,重点研究了两种镁基复合材料在不同腐蚀溶液中的腐蚀行为,主要内容总结如下:(1)Mg/SiO2在3.5 wt.%Na2SO4溶液中成分对其腐蚀行为的影响,实验结果表明添加SiO2纳米增强颗粒后,复合材料的耐腐蚀性能相较于纯镁有所下降,且随着增强颗粒质量分数的增加,材料的耐腐蚀性能表现的越差,在腐蚀前期较为明显。通过扫描电镜观察腐蚀后的微观组织结构发现,复合材料开始发生腐蚀主要位于晶界处,而通过光学显微镜观察可知,加入的增强体颗粒也主要团聚在晶界处,使得晶粒细化,且材料在晶界处的位错较多,能量较高,复合材料表面的电势分布表明,晶界处的电势要明显低于基体,容易发生微电偶腐蚀。(2)Mg/SiO2在3.5 wt.%Na2SO4溶液中腐蚀时间对其腐蚀行为的影响,实验结果表明,随着浸泡时间的增加,pure Mg、Mg/0.5SiO2和Mg/1.0SiO2的腐蚀速率均在逐渐降低,且增强颗粒对腐蚀速率的影响也在逐渐减弱。这是由于镁基纳米复合材料在腐蚀过程中会在基体表面形成具有保护性的膜,为复合材料在腐蚀溶液中提供了很好的保护作用。由X射线光电子能谱分析腐蚀产物成分是Mg(OH)2和Mg CO3。(3)Mg/HAP在3.5 wt.%NaCl溶液中的腐蚀试验结果表明,羟基磷灰石(HAP)增强颗粒降低了复合材料的耐腐蚀性能,HAP的化学分子式为Ca5(PO4)3(OH),随着增强颗粒质量分数的增加,材料的耐腐蚀性能表现的越差,且Mg/HAP镁基纳米复合材料在腐蚀溶液中浸泡的时间越久,增强颗粒对腐蚀速率的影响越明显。通过扫描电镜观察腐蚀后的微观组织形貌发现,材料的腐蚀类型主要是晶间腐蚀和丝状腐蚀,在光学显微镜下观察发现颗粒团聚在晶界处,复合材料的表面电势分布表明,晶界处的电势明显低于基体,容易发生微电偶腐蚀。测量复合材料的腐蚀速率发现,Mg/HAP镁基纳米复合材料在氯化钠溶液中的腐蚀速率非常快。(4)pure Mg、Mg/0.5HAP和Mg/1.0HAP在经过温度分别为150℃,250℃和350℃热处理8 h后,在3.5 wt.%NaCl溶液中于开路电位下浸泡10 min,然后分别进行极化曲线和交流阻抗测试,测量结果表明经过热处理的试样的电流密度均大于或略大约未经热处理的试样,阻抗值均小于未经热处理试样,这表示热处理后的试样的腐蚀速率并没有减慢,材料的耐蚀性未能得到有效的改善。(5)纯镁经过150℃,250℃,350℃热处理30 min和150℃热处理90 min后,从微观组织形貌上观察其晶粒大小并未有明显变化。从宏观上观察试样在3.5 wt.%NaCl溶液浸泡过程中的表面腐蚀形貌的变化,经过热处理后的材料耐腐蚀性能均有所变好;从腐蚀后的微观腐蚀形貌上观察,热处理150℃-30 min,250℃-30 min和150℃-90 min的耐腐蚀性能相较于未经热处理的纯镁均有所提升,且从电化学测试的结果来看,与前者结论保持一致。耐腐蚀性能提升最大的是热处理150℃-90 min,其次是150℃-30 min和250℃-30 min。这表明由此工艺制得的材料,可通过热处理提升材料的耐腐蚀性能。
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