微弧氧化膜层孔隙缺陷诱发镁合金局部腐蚀的机制研究

Against the backgrounds of the corrosion of micro-arc oxidized Mg- alloys used in aerospace industry, aviation industry and automobile industry, the pore sizes in micro-arc layer and their distribution in the direction of the thickness of micro-arc oxidized layer will be investigated directly and quantitatively using X-ray tomography. The chemical compositions and structures of pore defects in micro-arc oxidized layer will be locally analyzed by both transmission electron microscope (TEM) and micro-Raman spectroscopy system. The electrochemical inhomogeneity on the surface of micro-arc oxidized layer will be studied by scanning vibrating electrode (SVET) to explore the relation of this inhomogeneity with pore defects in micro-arc oxidized layer. Based on the corrosion behavior of micro-arc oxidized Mg-alloys, the transportation process of corrosive media in micro-arc oxidized layer will be studied by mass increment. The characteristic of EIS spectra will be investigated during the penetration of corrosive media into the micro-arc oxidized layer. The genetic mechanism between the starting of localized corrosion under micro-arc oxidized layer and the changes of EIS spectra will be explored and the relation of the specific electrochemical parameters with transportation rates will be built. The features of localized corrosion behavior of micro-arc oxidized Mg-alloys induced by pore defects in micro-arc oxidized layer will be numerically studied with COMSOL program. All of these researches will be aimed to investigate the origin, starting and developing of localized corrosion of micro-arc oxidized Mg-alloys. Finally, the localized corrosion mechanism of micro-arc oxidized Mg-alloys induced by pore defects in micro-arc oxidized layer will be revealed overall and clearly. These studies have greatly theoretical values and an importantly practical significance.

针对微弧氧化镁合金在航空、航天和机车等领域应用过程中面临的腐蚀，本申请引入高分辨透射X 射线三维成像（X-ray tomography）技术，直接定量表征微弧氧化膜层孔隙缺陷尺寸及其在膜厚度方向上的分布。结合透射电子显微镜和显微共焦激光拉曼光谱技术，定位分析微弧氧化膜层孔隙缺陷处的化学构造差异。采用扫描振动电极技术，研究微弧氧化膜的电化学非均匀特性，探索膜层孔隙缺陷与电化学非均匀特性间的关系。结合腐蚀规律，采用增重法，研究腐蚀介质在微弧氧化膜层中的传递过程与电极阻抗谱特征，探索膜层下局部腐蚀发生与阻抗谱特征转变间的成因，构建膜层特征电化学参数与传递参数间的关系。利用COMSOL软件，模拟研究微弧氧化膜层孔隙缺陷诱发镁合金局部腐蚀的行为特征，从而系统认识微弧氧化镁合金局部腐蚀起源、发生、发展过程，深入揭示微弧氧化膜层孔隙缺陷诱发镁合金基材局部腐蚀的机制。本申请既有理论价值又有实际意义

针对微弧氧化镁合金在航空、航天和机车等工业应用过程中面临的腐蚀问题，首先，采用高分辨透射X射线三维成像技术（X-ray tomography）与SEM、CLSM技术相结合的方法，研究了微弧氧化膜层的2-D、3-D微观形貌和膜层中微缺陷的3-D结构特征、分布规律，并对微孔缺陷形状进行了分形研究；同时，采用XRD、XPS和EDS-MAPPING技术，研究了膜层中微缺陷导致的化学构造差异。发现微孔缺陷形状、大小各异，随机分布在膜层中，可分为近球状孔、近柱状小孔和大孔，导致MF2、Mg2SiO4 膜层中分布的非均匀，且微孔隙率在膜层厚度方向上从里到外增大，揭示了微缺陷与膜层化学差异性间的关系。. 其次，采用SKPFM与SVET联合方法，研究了膜层化学构造差异导致的膜层在空气中Volta电势的非均匀性以及在腐蚀液中电化学的非均匀性与演化过程，发现微缺陷引起的化学构造差异性主要体现在MF2、Mg2SiO4 膜层中分布的非均匀性，并使得膜层电化学的非均匀性，成为了微弧氧化镁合金局部腐蚀的起因。. 第三，研究了介质在膜层中的传递过程。同时，采用电化学阻抗谱，研究了介质传递过程引起的电化学阻抗谱特征变化。发现介质在膜层中的传递过程分3个阶段；在不同阶段中，微缺陷的形状发生改变，导致膜层性质及其腐蚀过程的数学模型变化。由此，构建了特征电化学参数与腐蚀介质传递、膜层性质演化的对应关系，提出了极限低频电阻（Rl）和涂层阻抗参数(CI)用于微弧氧化膜层体系耐蚀性的定量评价，揭示了微弧氧化镁合金局部腐蚀发生的机制。. 第四，采用数值计算方法，研究了膜层中微孔缺陷类型对膜层失效的作用和微孔缺陷诱发镁合金的局部腐蚀行为，发现介质在传递过程中，膜层的腐蚀与腐蚀产物共同促使微缺陷的扩展与生成。其中，近柱状大孔在膜层失效中起着主要作用。最终，贯穿孔的形成导致了微弧氧化镁合金局部腐蚀的发展。. 最后，基于常规封闭技术的不足，提出了以微缺陷作为缓蚀剂微容器的封闭技术，在提升膜层耐蚀性、赋予膜层体系“自修复”性能的同时，实现了对微缺陷的利用。本项目成果既有科学理论价值又有实际应用意义。