Gr／6061 Al复合材料环保型稀土耐蚀膜的研究（稀有金属材料与工程论文）

Gr6061 Al复合材料环保型稀土耐蚀膜的研究（稀有金属材料与工程论文） 第36卷增刊3xx年9月稀有金属材料与工程RARE METALM ATERIALSAND ENGINEER1NG Vo136，Supp13SeptemberxxGr6061AI复合材料环保型稀土耐蚀膜的研究武高辉，王春雨，张强，姜龙涛(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要随着铝基复合材料的应用范围不断扩大，对其腐蚀性能方面的要求也更加迫切。 传统铬酸盐钝化的方法困含有毒性的六价铬离子并致癌将被废除，因此开发绿色环保耐腐蚀涂层是当今材料研究领域的热点之一。 采用含稀土ce钝化防腐蚀膜层的工艺提高Gr606lAl复合材料的耐腐蚀性，膜层无毒、无污染，具有环境保护作用。 文章对环保型稀土ce耐蚀膜的成膜艺进行了研究，此工艺在GrAI复合材料表面覆盖完整，呈现“干泥”状分布于GrAI复合材料表面。 EDS面扫描结果认定稀土ce含量达4748(质量分数)，Ce、O、Si、Al是组成膜的主要元素，膜层主要由稀土氧化物或氢氧化物组成。 防腐蚀性测试表明，稀土转化膜试样的E。 比裸试样的E。 提高84mV，说明稀土转化膜试样的防腐蚀性能较佳。 无毒无污染的GrAI复合材料表面环保型稀土ce转化膜是有希望进行工业化应用的理想涂层。 关键词GJAI复合材料环保ce转化膜防腐蚀性能中图法分类号TG1464A1002一l85X (xx)$3645041前言铝基复合材料作为新型材料近年来得以迅猛发展。 它具有比强度高，比模量高，耐高温及热膨胀系数小等优良性能，是当今材料研究领域的热点之一。 铝基复合材料的应用范围不断扩大，该种材料将面向更加复杂苛刻的使用环境，对其腐蚀性能方面的要求也更加迫切。 由于有许多因素影响复合材料的耐腐蚀性，包括孔隙、杂质相的析出、增强体基体界面处的高密度位错、界面反应产物、增强相的种类、大小和含量、基体的成分等，因而，铝基复合材料的耐蚀性比相应的基体金属要低一些?。 金属基复合材料腐蚀性能的研究也逐渐引起人们的重视，对金属基复合材料腐蚀性能的研究也开展得异常活跃2,31。 应用表面覆膜的技术可以大大提高材料的耐腐蚀性，寻找合适的防腐膜层是当今材料研究者的热门话题4】。 过去几十年采用的铬酸盐钝化的方法因含有毒性的六价铬离子并致癌将被废除，为此，国内外研究者做了大量工作，力求开发出负作用小、成本低、污染小、处理简单、效果突出卓有成效的稀土溶液处理技术6】。 金属表面的稀土钝化膜的研究工作因此而发展起来。 GrAI复合材料比单纯铝合金更易受到腐蚀，电偶接触、活性反应产物、金属间粒子界面、微裂纹和空位等都是影响铝基复合材料腐蚀性能的主要因素。 其腐蚀形式主要有3种a)电偶腐蚀；b)界面反应物AI C3水解；c)界面处的剥蚀。 GrAI复合材料的3种腐蚀方式中最为严重的形式是电偶腐蚀。 GrAI复合材料中增强物石墨纤维的存在，对基体铝合金的抗腐蚀性有不良影响。 由于石墨纤维是导体，可以作为氢离子和氧还原的惰性电极，因此GrAI复合材料腐蚀速度高普遍认为是电偶腐蚀引起的。 对GrA1复合材料，当表面覆盖的一层铝合金由于孔蚀而穿透后导致了GrAI之间的电偶腐蚀；石墨电位较正作为阴极，A1合金电位较负作为阳极，加速A1合金的溶解】。 美国Mansfeld等人首先展开了GrAI复合材料表面稀土转化膜的研究工作，为GrAI复合材料防腐蚀问题寻求了新的解决途径J。 本文采用含稀土Ce钝化防腐蚀膜层的方法提高GrAI复合材料的耐腐蚀性，稀土Ce的耐蚀膜层生成过程对环境友好，膜层无毒、无污染，具有环境保护作用。 文章研究了环保型稀土Ce耐蚀膜的成膜工艺并对膜层耐腐蚀性进行了测试，膜层存在大大提高了材料的耐蚀性。 2实验材料及方法实验材料是采用挤压铸造法制备的，所用石墨纤维为日本东丽公司生产的m40，铝基体是6061，成分035cu，095m g，070fe，050si，015m n，015cr，025zn，015ti，其余为al，体积分数约60，稀土收到初稿日期xx1024收到修改稿日期xx0805作者简介武高辉，男，1955年生，博士生导师，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150080，电话045186402375emailwughhiteduca646稀有金属材料与工程第36卷成膜实验所用化学试剂为分析纯。 GrAI复合材料试样为直径15mm厚2mm的圆片状，采用线切割方法加工而成。 前处理溶液和稀土成膜溶液的pH值使用PHS25C型酸度计测定。 使用S-4700扫描电子显微镜观察稀土膜层表面形貌，膜层成分用EDS能谱仪进行成分分析。 试样极化曲线测试在35NaCI溶液中进行，使用PARC公司生产的M273恒电位移进行动电位极化曲线测定，三电极体系的参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为石墨棒，测试前在35NaC1溶液中浸泡15min，用来稳定电位，扫描速度0166mVs。 3结果与讨论31稀土转化膜处理工艺试样在进行稀土成膜实验之前需要进行前处理，以保证形成的稀土钝化膜覆盖完整均匀，增加膜层结合力。 本实验所用的稀土Ce钝化膜成膜处理工艺如下1000#砂纸打磨一丙酮擦拭一化学除油一蒸馏水清洗一11HNO出光一蒸馏水清洗一波美层处理一蒸馏水清洗一稀土覆膜一磷酸盐封闭一清洗一烘干。 实验所用化学除油液配方及工艺条件如下Na3PO430gL，Na2CO325gL，Na2SiO38gL，7085，2min5min。 为了保证每一步骤彻底的清洗，使用超声波震荡作为清洗强化步骤。 波美层处理是在沸腾的01(质量分数，下同)三乙醇胺水溶液中浸泡10min形成的I。 稀土覆膜工艺后采用25Na PO沸水做封孔处理。 经过多次实验后，确定的稀土转化膜处理溶液和工艺条件如表1。 的表面积，有利于稀土元素的沉积。 图1GrAI复合材料波美层处理后的形貌Fig1The morphologyof GrAI positessurface afterBohmite treatment通过电子扫描显微镜的观察可知，GrAI复合材料稀土钝化后的表面形貌如图2，试样表面呈现“干泥”状，材料表面覆盖完整，在基体铝合金和增强体石墨纤维上都有稀土Ce转化膜，铝基体显露很少，但膜层有微小裂纹，这一现象和文献报导的铝表面转化膜表面形貌相似10,11。 图2GrAI复合材料表面Ce钝化膜的形貌Fig2The morphologyof GrAI positessurface aRerpassivated treatment表1GrAI复合材料稀土Ce转化膜处理工艺条件Table1The conditionsof rareearth conversationf ilmon the表2GrAI复合材料表面Ce钝化膜的EDS面扫描成分分析GrAI positessurface32Ce转化膜显微形貌及成分分析在稀土钝化前的波美层处理后GrA1复合材料试样的表面形貌如图1所示，稀土钝化前试样表面呈现类似阳极氧化后的多孔结构，这种结构增大了膜层沉积Table2The position analysisof thepassivation film byEDS对膜层表面应用EDS面扫描进行成分分析，如图3，表2显示各元素含量。 图3a显示出石墨纤维表面和铝基体表面均有稀土膜层存在，岛状膜层具有凸凹不平的结构，和于兴文报导的大小不同的蜂窝状结构较为类似】。 图3c可以得知稀土膜的ce含量较高，图3f的氧含量高可以认为膜层主要由氧化物或氢氧增刊3武高辉等gf f6061ai复合材料环保型稀土耐蚀膜的研究647化物，j，图3d显示铝基体裸露少，说明稀土膜层覆盖较好，图3b eds面扫描的成分曲线表明ce元素含量较多(4748)。 Ce、O、Si、A1是组成膜的主要元素，图3e中C元素主要于复合材料的石墨纤维。 由于膜层具有龟裂结构，考虑采用磷酸盐进行封孔处理，工艺条件为25Na3PO4，pH值45，煮沸，时间5min。 图3GrAI复合材料表面Ce钝化膜的SEM像及EDS面扫描Fig3Passivation film SEMimage andEDS plane scanning analysison GrAI positessurface(a)image，(b)spectra，(c)Ce，(d)AI，(e)C，(D O33极化曲线测试对以上工艺成膜的试样进行了动电位扫描(Tafel曲线)的测试，来对比稀士转化膜试样和裸试样的腐蚀性能。 通过Tafel曲线给出的腐蚀电位及腐蚀电流fc。 大小可以判断材料的防腐蚀性能。 测试结果表明，无毒无污染的GrA1复合材料表面环保型稀土Ce转化膜试样的。 高(一710mV)，而log i。 小(-613Acm)，裸试样的。 (一794mV)和log f。 (553Acm)的数值反映出裸试样的耐蚀性较差，稀士转化膜后封孔工艺的试样防腐蚀性能较佳，与以往的文献报导一致?。 表面生成稀土耐蚀膜后的GrA1复合材料耐蚀性得到了显著改善，。 提高了84mV，电化学腐蚀的阴极过程和阳极过程都受到抑制【l训。 综上所述，稀土耐蚀膜的存在既抑制了腐蚀的阴极过程，又抑制了阳极过程，阻挡了电化学反应过程中的导电路径，并且隔绝了发生电偶腐蚀的腐蚀介质，大大提高了GrA1复合材料耐蚀性。 专图4稀土膜试样和空白试样Tafel曲线Fig4Tafel curvesof Ceconversion coatingsample andbare sample4结论1)化学浸泡处理工艺可在GrA1复合材料表面获得“干泥”状的环保型稀士Ce转化膜，膜层覆盖完整，呈岛状分布于GrA1复合材料表面。 2)EDS面扫描结果认定稀土Ce含量达4748，Ce、O、Si、A1是组成膜的主要元素，膜层主要由稀土氧化物或氢氧化物组成。 3)电化学测试表明，稀土转化膜试样的。 比裸试样的。 提高84mV，说明稀土转化膜试样的防腐蚀性能较佳。 4)无毒无污染的GrA1复合材料表面环保型稀土Ce转化膜是很有发展前景的耐腐蚀膜层。 参考文献References1Greene HJ，Mansfeld FCorrosionJ，1997，53 (12)9202Chen C，Mansfeld FCorrosion ScienceJ，1997，39 (6)10753Mansfeld F，Perez FJSurface andCoatings TechnologyJ，l996，864494Andre Decroly，JeanPierre PetitjeanSurface andcoatings technologyJ，xx，19415Yu Xingwen(于兴文)，Cao Chunan(曹楚南)，Lin Haichao(林海潮1et a1Journal ofChinese Society forCorrosion andProtection(中国腐蚀与防护学报)【J，2000，20 (5)298【6Hinton B R wMetals ForumJ，1984，7 (4)21l【7Mansfeld F，Jeanjaquet SL。 Corrosion ScienceJ，1986，26 (9)7278hihara lh，latanision rmcorrosion sciencej，1992，648稀有金属材料与工程第36卷48 (7)546【9】Yu Xingwen，Zhou Derui，Cao Chunna a1Corrosion 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coating is non-toxic andnon-pollutionthese resultsindicate that the graphitef ibersand aluminumalloys surfacesboth coatedon ceconversion coatings；the micro-structure ofcoatingisdried-mud-likethe energydispersive spectroscopy(eds)planes