阴极涂层为TiN的镁合金在NaCl和Na2SO4溶液中电弧沉积的腐蚀行为.doc

阴极电弧沉积TiN的镁合金在NaCl和Na2SO4溶液中的腐蚀行为摘要镁基轻金属合金属于一类的结构材料随着工业的重视。在工程金属材料中，镁合金成本低，密度最低的使用性广泛。然而，机械强度方面的局限和耐腐蚀性能低，限制了他们的实际应用。在这项研究中，TiN包覆镁基AZ91镁-铝-锌用阴极弧PVD工艺制作的合金。未涂层和涂层镁合金在1氯化钠腐蚀行为，3NaCl和3Na2SO4溶液和涂层对基体腐蚀行为的影响进行了研究，利用极化测试。这项研究中使用了电化学腐蚀试验，阴极电弧物理气相沉积涂层的涂层工艺系统电位，元素分析和扫描电子显微镜为表面涂层的审查。经测定，镁合金耐腐蚀性能随着使用TiN阴极弧PVD工艺合金涂层厚度增加而提高。关键词：镁合金;腐蚀;阴极电弧沉积，物理气相沉积目录1.简介2.实验细节3.结果与讨论4.结论致谢参考文献1.简介为减轻重量，特别是在便携式微电子、通讯、航空航天和汽车行业，需要有更刺激的工程师在选择他们的创作材料。镁及镁合金的密度是钢的四分之一，只有铝的三分之二，而且重量比远远超过任何力量，极好地满足了作为一个超轻型合金，1的作用。镁是金属的结构，这使得它是以减少车辆运输应用2中最轻的重量的受青睐的材料之一，从而减少废气排放。虽然镁合金在所有的结构金属中具有最高的比强度，但是它有几个缺点，它的腐蚀性能低于平均水平的防腐性能，限制无保护镁合金的应用3 4。其耐腐蚀性差阻碍了它被广泛使用在许多领域5。最有效的途径之一是防止涂层的基础材料腐蚀。表面涂层改性已成为改善一个重要的步骤，诸如磨损，腐蚀和氧化的表面性质。各种常规技术都用于在基板上沉积，达到表面改性6所需的材料。涂料可以保护/或通过抑制金属及其环境之间存在化学腐蚀来屏障他们7基板。这对表面处理更加广泛的应用到镁合金腐蚀的保护是非常重要的。修改有关的表面进行了许多研究镁合金及其防腐蚀，在最近几年提出保护能力。由于工艺和环境全面清洁，分为物理气相沉积（PVD）涂层的研究已成为重要的任务，发展多种先进的表面改性材料的工业生产8。有一些研究918关于文学的影响对镁合金腐蚀行为的PVD涂层，但研究已增加越来越多。在几乎所有的研究，溅射工艺已被用作PVD技术。相反，磁控溅射，阴极电弧沉积过程是最近开发的PVD技术，具有快捷方便包衣率和PVD涂层中也起着重要作用的方法19。此外，阴极为硬质涂层沉积过程是众所周知的弧其血浆中的高电离效率，并允许致密涂层沉积20。到目前为止，还没有得到满足相关的阴极弧PVD涂层对镁合金耐蚀性的影响作出研究。此外，几乎所有在上述相关的PVD涂层对镁合金腐蚀行为的影响已经在文献中，包括氯，如氯化钠离子溶液的腐蚀行为研究的重点。然而，镁合金在含有SO4- 2离子溶液中的腐蚀行为的吸引力也是一个严重的地区21。但是，它也没有得到满足任何关于效应SO4- 2离子对PVD涂层镁合金腐蚀行为的研究。因此，本研究的目的是利用阴极电弧沉积氮化钛沉积过程镁合金涂层，然后以评估对NaCl和Na2SO4溶液中的腐蚀行为合金涂层的影响。2.实验细节在这项研究中，AZ91镁合金是最常用的作为基体材料镁合金之一。该合金的化学成分如下表1。涂层前，用400#，800#和1200#的碳化硅糁砂纸对样品的表面进行抛光。然后，把它们在蒸馏水和丙酮中冲洗，在温暖的空气干燥。TiN涂层的阴极电弧PVD技术根据表2中列出的参数。表1. AZ91镁合金的（重量）化学成分AlZnCuNiMnSi8.460.830.070.010.090.08表2. 阴极电弧物理气相沉积TiN涂层的参数Bias voltageN2pressureCathode currentCoating time200V4mtorr70A30min电化学进行了评价，在室温采用标准三电极配置的温度，用银/氯化银电极为参比电极，为一对电极，并作为工作电极标本铂板。实验是用电脑控制的电位。动电位极化测试，此方案在500毫升1氯化钠，3氯化钠和3硫酸钠的溶液中以1毫伏/秒的速度动电位不断进行扫描，样本被允许获得一个稳定的稳定的开路电位（OCP）。利用扫描电子显微镜（SEM）检查和表面涂层的元素来分析。3.结果与讨论在图1a中，给出了AZ91镁合金小结构的SEM图像TiN涂层缺陷。正如图所示，在缺陷宽度可达约25-30微米。此外，在图1b中涂层中也形成了微裂纹。这些缺陷在腐蚀环境与基体之间可以形成直接的路径，而且电偶腐蚀的风险也存在。硬质材料涂层比镁合金基体性能好，但涂层中的小的结构性缺陷，如：针孔，气孔或裂缝，降低了复合材料17耐腐蚀性。这些缺陷可能产生于各种涂层工艺或基体。尽管他们有出色的机械和摩擦学性能，它们的耐蚀性一直是受结构性缺陷的存在的制约，结构性缺陷如气孔，针孔，裂纹，在应用22出现。带有阴极电弧蒸发源的问题是，导致电弧熔化的球发射（即宏观颗粒）薄膜表面上的沉积。因此，这些涂层孔隙率往往表现出来23。每一个缺陷使腐蚀介质的接触导致基体表面形成原电池和点蚀开始。这缺陷的数量和尺寸取决于物理气相沉积过程的沉积类型和条件，特别是从基板温度和偏置电压17。如果这些缺陷减少，提高了涂层的腐蚀防护能力。图1 AZ91镁合金中，扫描电镜下TiN涂层的的小结构涂层缺陷a）针孔，b）一裂缝能谱仪（EDS）对未涂层和涂层的合金进行了分析，并取得了图2 和图 3镁合金涂层的能谱图。在图 2中，镁，铝，锌元素的峰出现。图 3 是TiN涂层镁合金的能谱图。由于数字进行了检查，从不同的涂层状态，很明显，钛元素形成了山峰。图2 未涂层的AZ91镁合金的能谱图图3 TiN涂层AZ91镁合金的能谱图图4和图5分别显示了在1和3NaCl溶液中未涂层和TiN涂层合金的极化曲线。随着对图表进行了研究，在这个试验中看到了TiN涂层降低了合金阳极电流密度在，但减少的量很小。此外，它决定了未涂层和涂层的镁合金的腐蚀电位相互接近，而且在1和3NaCl溶液中没有观察到钝化行为。这可以说是，在1和3的NaCl溶液中TiN涂层没有足够的耐腐蚀保护性，尽管在由少量的TiN涂层的手段获得的阳极电流密度条件下也下降不够。图4 在1NaCl溶液中未涂层和TiN涂层合金极化曲线图5 在3NaCl溶液中未涂层和TiN涂层合金极化曲线图6显示了未涂层和TiN涂层合金在3硫酸钠溶液中的极化曲线。对数据进行了检查，在不同的1和3NaCl溶液中，TiN涂层在相当数量下使合金阳极电流密度下降。此外，还得出腐蚀电流密度比未涂层的合金低， TiN涂层合金的耐蚀性比未涂层合金的更高。图 6 在3Na2SO4溶液中未涂层和TiN涂层合金极化曲线在图7和图8中，极化曲线得到确定对未涂层和涂层镁合金腐蚀的特定行为暴露在图解决方案的效果。图7显示AZ91镁合金在1氯化钠，3氯化钠和3Na2SO4溶液中的未涂层的极化曲线。对阳极极化曲线进行了分析，它被认为影响在一定的数额阳极电流密度。如果耐腐蚀性能根据这三个方案之间进行，它被认为是对AZ91镁合金未涂层最积极的解决方案和最差的解决方案分别为3NaCl和1NaCl溶液。由于腐蚀电流密度进行了检查，它被认为是最高的腐蚀电流密度在3NaCl溶液中获得的，最低的腐蚀电流密度为1NaCl溶液中获得的。图7未涂层镁合金在1氯化钠，3氯化钠和3Na2SO4溶液中的动电位极化曲线图8 涂TiN镁合金在1氯化钠，3氯化钠和3Na2SO4溶液中的动电位极化曲线图8显示涂TiN镁合金在1氯化钠，3氯化钠和3Na2SO4溶液中的动电位极化曲线。对阳极极化曲线进行了检查，观察到，TiN涂层AZ91镁合金的阳极极化曲线在3Na2SO4溶液与其他解决方案具有不同的性质。TiN涂层合金在3Na2SO4溶液中的阳极氧化电流密度明显低于其他解决方案，直到降低约 - 800 mV的潜力。溶液中的电流密度随着阳极极化增加而增加。对腐蚀电流密度和腐蚀电位进行了研究，也看到，在3Na2SO4溶液中腐蚀电流密度降低，腐蚀电位在3硫酸钠溶液中比其他解决方案高。如上所述，在三个独立的溶液中对未涂层和TiN涂层AZ91合金的腐蚀行为进行了调查。在NaCl溶液中，两个（1和3）单独浓度的溶液进行了试验，并得到了未涂层和涂层合金耐腐蚀性均随NaCl浓度的增加而减小。这是基于，在NaCl浓度的增加，提高了氯离子的阳极溶解反应量，溶液的电导率增加。此外，检查的氯离子和硫酸根攻击性，腐蚀试验在3NaCl和3硫酸钠溶液中进行，并得到了两种未涂层和涂层合金的耐蚀性在NaCl溶液中明显低于在Na2SO4溶液中。这可能是由于氯离子比硫酸根离子对镁合金的侵略性更强。可以说，在溶液中氯离子的存在比硫酸根离子对镁合金基体更具有消极被动的影响。如图 9，分别测试了合金表面TiN涂层腐蚀后的图像，对扫描电镜图像进行了检查，它被认为是涂料层脱离基材为大块，造成较大的碎片脱落。涂层的缺陷的形成是非常难以完全避免。因此，当受到大气腐蚀性，涂层材料将在界面附近形成的缺陷而形成原电池，因为陶瓷涂层的电化学比大多数基材更稳定。如氯离子渗透攻击一旦通过这些小的毛细管力量推动的渠道，涂层裸露面积将开始体验到阳极溶解，这通常会延长沿之间的涂层与基体界面横向。最后，形成相互衔接的坑，造成了整个涂层剥落24去除。该涂层的缺陷如气孔，针孔，裂纹，在扫描电子显微镜观察腐蚀试验之前，导致电解液达到基板和促进腐蚀的发展。图9 对TiN涂层合金腐蚀试验表面图像 a）1氯化钠，b）3NaCl和c）3Na2SO4溶液。4.结论TiN阴极电弧沉积涂层提高了镁合金的耐腐蚀性。特别是在Na2SO4溶液中，耐蚀性得到很大提高。该涂层有一些典型的物理气相沉积技术造成的缺陷，虽然获得了较为密集的涂层。涂层和未涂层合金的腐蚀抵抗力随NaCl浓度的增加而下降。这两种涂层和未涂层合金的耐腐蚀性能在Na2SO4溶液中明显高于NaCl溶液中。致谢这项工作是由美国阿塔图尔克大学研究基金会资助。参考文献1G. Wu, Y. Fan, H. Gao, C. Zhai and Y.P. Zhu, The effect of Ca and rare earth elements on the microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of AZ91D,Mater Sci Eng A Struct Mater Prop Microstruct Process408(2005), pp. 255263. 2M. Boinet, S. Verdier, S. Maximovitch and F. Dalard, Plasma electrolytic oxidation of AM60 magnesium alloy: monitoring by acoustic emission technique, electrochemical properties of coatings,Surf Coat Technol199(2005), pp. 141149. 3G. Song and A. Atrens, Understanding magnesium corrosion a framework for improved alloy performance,Adv Eng Mater5(2003), pp. 837858.4A. Yamamoto, A. Watanabe, K. Sugahara, H. Tsubakino and S. Fukumoto, Improvement of corrosion resistance of magnesium alloys by vapor deposition,Scr Mater44(2001), pp. 10391042.5H. Guo, M. An, S. Xu and H. Huo, Microarc oxidation of corrosion resistant ceramic coating on a magnesium alloy,Mater Lett60(2006), pp. 15381541. 6J. Jagielski, A.S. Khanna, J. Kucinski, D.S. Mishra, P. Racolta and P. Sioshansiet al., Effect of chromium nitride coating on the corrosion and wear resistance of stainless steel,Appl Surf Sci156(2000), pp. 4764. 7J.E. Gray and B. Luan, Protective coatings on magnesium and its alloys a critical review,J Alloys Compd336(2002), pp. 88113. 8W.Y. Ho, C.H. Hsu, D.H. Huang, Y.C. Lin, C.L. Chang and D.Y. Wang, Corrosion behaviors of Cr(N,O)/CrN double-layered coatings by cathodic arc deposition,Surf Coat Technol200(2005), pp. 13031309. 9G. Wu, X. Zeng, W. Ding, X. Guo and S. Yao, Characterization of ceramic PVD thin films on AZ31 magnesium alloys,Appl Surf Sci252(2006), pp. 74227429. 10H. Altun and S. Sen, The effect of PVD coatings on the corrosion behaviour of AZ91 magnesium alloy,Mater Des27(2006), pp. 11741179. 11H. Altun and S. Sen, The effect of DC magnetron sputtering AlN coatings on the corrosion behaviour of magnesium alloys,Surf Coat Technol197(2005), pp. 193200. 12H. Hoche, C. Rosenkranz, A. Delp, M.M. Lohrengel, E. Broszeit and C. Berger, Investigation of the macroscopic and microscopic electrochemical corrosion behaviour of PVD-coated magnesium die cast alloy AZ91,Surf Coat Technol193(2005), pp. 178184. 13H. Hoche, C. Blawert, E. Broszeit and C. Berger, Galvanic corrosion properties of differently PVD-treated magnesium die cast alloy AZ91,Surf Coat Technol193(2005), pp. 223229. 14H. Hoche, H. Scheerer, D. Probst, E. Broszeit and C. Berger, Plasma anodisation as an environmental harmless method for the corrosion protection of magnesium alloys,Surf Coat Technol174175(2003), pp. 10021007. 15H. Hoche, H. Scheerer, D. Probst, E. Broszeit and C. Berger, Development of a plasma surface treatment for magnesium alloys to ensure sufficient wear and corrosion resistance,Surf Coat Technol174175(2003), pp. 10181023. 16M.H. Lee, I.Y. Bae, K.J. Kim, K.M. Moon and T. Oki, Formation mechanism of new corrosion resistance magnesium thin films by PVD method,Surf Coat Technol,169170(2003), pp. 670674. 17F. Hollstein, R. Wiedemann and J. Scholz, Characteristics of PVD-coatings on AZ31hp magnesium alloys,Surf Coat Technol162(2003), pp. 261268. 18G. Reiners and M. Griepentrog, Hard coatings on magnesium alloys by sputter deposition using a pulsed d.c. bias voltage,Surf Coat Technol7677(1995), pp. 809814. 19H.H. Cheng, L.C. Ming and L.L. Kuei, Corrosion resistance of TiN/TiAlN-coated ADI by cathodic