镁合金熔盐冶金扩散铝涂层的基础研究

镁及镁合金耐腐蚀性能差严重制约其进一步应用与发展，对其防护技术的研究开发迫在眉睫。本项目提出一种镁合金熔盐冶金扩散制备铝涂层的方法，其实质是在铝熔盐中利用镁比铝活泼的化学特性，自发实现镁对熔盐中铝离子的置换反应，在镁表面形成铝层，在浓度化学势的驱动下，实现基体中镁、铝元素向各自含量贫瘠区的扩散，最终获得表面富铝涂层。本项目的铝涂层可以提高镁表面的电极电位，具有电位梯度分布和＂自愈＂能力，这对腐蚀机理研究和涂层设计具有非常重要的指导意义。目前国内外还没有采用熔盐涂铝方法获得镁防护涂层的研究工作。对本项目的研究可以获得镁合金防护新工艺，弄清金属镁/铝熔盐界面置换扩散机制，积累熔盐体系中镁/铝的热力学和动力学基本数据，为镁合金的深入研究和广泛应用奠定基础。本项目是结合熔盐化学、材料学，电化学等多学科交叉的基础研究，具有有重要的学术价值和现实意义。

本项目按照预定研究计划完成，实现了一种低温制备镁合金表面扩散铝涂层的方法，可使得制备温度较传统的固体粉末渗工艺大幅降低100℃以上，从而避免了扩渗层制备工艺温度过高给镁合金基体带来的不利影响。该方法将熔盐置换反应与扩散过程结合，最终可在镁合金表面形成合金相层状分布的铝涂层，显著提高了镁合金基体的耐腐蚀性能。系统研究了镁合金在低温铝熔盐中表面扩散涂层的生长动力学规律及涂层形成机制，当扩渗温度较低或者扩渗时间较短时，镁合金表面只形成了单一相γ相(Al12Mg17)层，并伴随着δ(Mg)固溶体的析出；当扩渗温度较高或者扩渗时间较长时，AZ91D镁合金表面从内到外依次形成了过渡层δ(Mg)固溶体层，灰色渗层γ相(Al12Mg17)层，线状结构与亮灰色层ε相(Al0.58Mg0.42)层，白亮层β相(Al3Mg2)层，以及铝涂层的最外侧零星分布的亮层α(Al)的固溶体。扩渗温度、扩渗时间以及基体中的初始原子浓度是影响扩渗层形成的主要因素。同时建立了Mg/Al熔盐体系的物理化学模型，该模型的核心为通过置换反应提供活性的Al原子以及新的合金相析出，扩散过程逐渐推进，在镁合金表面逐步形成了δ(Mg)层→Al12Mg17(γ)层→Al0.58Mg0.42(ε)层→Al3Mg2(β)层。其中，扩散过程占主导地位，置换反应提供活性原子并伴随着扩散过程同时进行。在此基础上，研究了镁合金表面扩散铝涂层的耐蚀性能及其腐蚀机制，由于Mg-Al金属间化合物的存在，当扩散渗铝试样与腐蚀介质接触后，发生析氢反应生成Al2O3•nH2O和Mg(OH)2膜层，从而削弱了点蚀在扩散渗铝试样表面的进一步扩展。当熔盐置换扩散渗铝试样没有出现大的结构缺陷时，呈连续态的γ相可完全隔离镁合金基体与腐蚀介质的接触，对电子的传输构成屏障，使电荷转移极化电阻增加，提高试样的耐蚀性；而当置换扩散渗铝层中出现了脆性β相，导致裂纹等结构缺陷时，由于γ相的电极电位低于β相，因此，在腐蚀溶液中就会发生电偶腐蚀。本项目所得结果在揭示镁合金在熔盐中表面扩散铝涂层的低温形成机制方面具有明显的科学意义，在提高镁合金部件的耐蚀性，进而拓展镁合金在相关领域中的应用具有显著实际意义。在本项目的资助下，围绕上述研究内容，已发表论文8篇，其中SCI论文6篇，获国家授权发明专利1项，培养博士生1名和博士后1名。