镁合金预镀界面反应与高致密镀层电沉积的研究

轻质镁合金是性能优良的绿色工程材料，但是严重的问题是镁合金极易腐蚀，不致密的金属镀层会引起强烈的电偶腐蚀，现有工艺还不尽人意，需要研究使镁合金获得致密镀层的新方法，完善电镀工艺的新理论。本项目在强碱或非水有机溶液中，应用两步直接电沉积法来获得致密的锌/焦铜膜或镍/焦铜膜预镀层，然后在普通镀液中再进行常规多层电沉积，从而得到高致密的无孔镀层，以避免因电镀阴极性镀层而发生强烈的电偶腐蚀。整个电镀过程取消了对环境十分有害的含氟含铬含氰的表面处理步骤和化学镀镍过程，是一个简洁、高效、环保的镁合金电镀新方法。项目研究电沉积溶液各组分对镁合金腐蚀与钝化的影响，建立镁合金在镀液中的腐蚀反应和成膜反应的理论模型。研究镁合金表面电沉积高致密的Cu/Ni/Cr和Zn-Ni、Sn-Ni、Ni-P耐蚀金属及合金镀层，从而为难镀镁合金的耐蚀金属涂层防护提供理论依据。采用两步直接电沉积和非水电沉积方法是本项目的创新。 2100433B

电刷镀的主要特点是镀液浓度高、阴阳极间距小，并可相对运动，可允许使用较高的电流密度，进而优化了结晶过程，限制了生成粗晶和粒状结晶的可能，细化了结晶，因而镀层结晶细密，孔隙少，耐蚀性十分优异。电刷镀复合电沉积原理与复合镀的沉积机理基本相同，但在工艺上采用电刷镀技术，而镀液中主盐浓度较高。

电刷镀纳米复合镀层虽然在工程领域得到了一定的应用，徐滨士等人曾对电刷镀纳米微粒复合镀层的组织及沉积过程进行了研究，在快速镀镍液中加入粒径为30nm 的Al₂O₃纳米微粒，得到纳米微粒均匀分布的复合镀层，且指出纳米复合镀层的生长过程与纯镍镀层相似，可分为三个阶段:均匀生长阶段、微凸体形成阶段和树枝状晶形成阶段。

将脉冲技术用于纳米电刷镀Ni₂SiO₂复合镀层。与直流电镀相比，只要选择适宜的脉冲参数，就能进一步提高纳米复合镀层的性能，使镀层表面更光亮，晶粒更细，更均匀、致密、孔隙更小，同时还提高了强度和耐蚀性。

镁合金具有低密度、高的比强度、比模量和优异的阻尼减振性能等性能，同时镁合金具有明显的经济优势和资源优势。因此镁及其合金被称为“第三个千年的特殊产品”，是继钢铁材料、铝合金之后又一重要的金属结构材料，其意义和作用正在为科学界、工业界和社会所理解。但是镁在所有结构金属中具有最低电位，对其它任何结构金属呈阳极性，并且镁合金表面自然状态下形成的氧化膜疏松、多孔，不能保护内部金属不受腐蚀。所以，探讨镁合金的表面处理技术，解决其腐蚀问题对于镁合金工程应用具有很重要的意义。

常用的镁合金表面处理方法有化学转化膜处理、电化学氧化处理以及涂覆金属或非金属涂层处理等，相关的研究工作很多，但是对比铝合金而言，其工艺水平和理论研究都有明显差距。采用电弧喷涂技术在镁合金表面喷涂铝层后对铝表面进行处理可获得优异的耐腐蚀性能，良好的镁铝界面结合是下一步利用铝合金表面处理技术显著提高材料的耐腐蚀性能的基础。本文将探讨镁合金表面电弧喷涂铝的界面结合性能及提高界面性能的一些工艺措施。

界面特性电弧喷涂纯铝的涂层特性

图1为AZ91镁合金电弧喷涂后铝层抛光后的SEM照片，可以看到喷涂铝层有一定量的孔洞，说明仅通过电弧喷涂获得的铝涂层不够致密，孔洞将影响喷涂铝层的力学性能。同时如果孔洞过多并连接形成贯穿裂纹将大大降低铝涂层保护镁基体的能力。图2为AZ91镁合金电弧喷铝后的镁合金与铝的界面结合SEM照片，照片中黑色部分为镁合金，白色部分为纯铝涂层，由照片可以明显看到镁合金基体与涂层间的空隙。能谱线扫描的结果如图3所示，两条曲线分别代表镁元素和铝元素的含量。由图1、图2、图3可知，铝层几乎看不到镁元素，而镁基体中有相对较多的铝元素(对比铝层中的镁元素)。其原因可能在于两个方面：其一，镁基体原来就含有一定量的铝元素，而喷涂采用的是纯铝丝；其二，喷涂过程中铝元素向镁元素方向进行了扩散。进一步的实验结果证明第二个原因的可能性是不存在的。

总之，经电弧喷铝后不进行任何处理的材料喷涂层本身和界面结合性能都不够理想，难以通过进一步对铝涂层进行如等离子体微弧氧化等表面处理，也无法满足较为苛刻的使用要求。

界面特性热处理工艺对界面结合性能的影响

为了更好的对比涂层与基体的界面结合性能，采用热震实验对镁合金基体与喷铝层结合强度进行测试。试样采用连续加热方式，加热温度由100℃～450℃，间隔50℃，保温时间0.5h，连续冷却。实验结果表明：喷涂后无热处理铝涂层300℃即与基体发生脱离现象，而经过真空条件下450℃保温2h和250℃真空热压1h热处理的样品450℃仍未发生涂层脱落，说明热处理可以改善界面结合性能。

界面特性研究结论

（1）镁合金表面直接电弧喷涂铝涂层，铝涂层本身不够致密，涂层与镁基体间的界面结合为机械结合，界面结合不够致密；

（2）通过较高温度真空保温和较低温度真空热压都可以在某种程度提高界面性能，但较高温度下真空保温的工艺方法一定程度的导致基体晶粒长大而影响性能；真空热压不仅可以提高界面结合性能同时可以提高涂层自身的性能，并且可以采用较低的温度，减少对镁合金基体的影响。 2100433B