晶粒尺度下镁合金固态扩渗金属涂层的形成机理及腐蚀行为

The poor corrosion resistance of magnesium and magnesium alloys hinder its further application and development, the preparation for diffusion coatings by surface solid diffudion can improve the corrosion resistance of magnesium alloys. The previous research of the project has shown that the surface grain size of magnesium alloy substrate has an important influence on solid diffusion, however, there are very few reports in the literature which study systemically the influence of magnesium alloy substrate surface initial grain size on diffusion process and corrosion performance after diffusion. The samples with different grain size are obtained on magnesium alloy surface by changing the magnesium alloy liquid metal solidification speed and surface nano-technology, the diffusion coatings are formed in vacuum heat treatment furnace by solid diffusion Al, Zn and Al+Zn. The influence law of initial grain size of magnesium alloy surface on diffusion layer quality (including the diffusion layer thickness, density, phase composition, morphology and interface bonding characteristic, etc.) and the corrosion resistance of magnesium alloys after diffusion will be studied, the diffusion behaviors of diffusion alloy elements, diffusion coating formation, growth and transformation behaviors and electrochemical behaviors after diffusion will be clarified under different grain sizes, the formation mechanism of diffusion coatings and the corrosion mechanism after diffusion will be revealed. The relational model of magnesium alloys surface initial grain size, diffusion coatings and corrosion performance will be built, the research findings will provide theoretical and experimental basis for the design and preparation of magnesium alloys surface solid diffusion.

镁及镁合金耐腐蚀性能差阻碍了其进一步应用与发展，表面固态扩渗金属制备扩渗涂层可提高镁合金的耐腐蚀性能。项目前期研究表明：镁合金基体表层晶粒尺寸对扩渗有重要影响，然而目前系统性的研究镁合金基体表层原始晶粒尺寸对扩渗过程及扩渗后材料腐蚀性能的影响却鲜有报道。本研究改变镁合金液态金属凝固速度和表面纳米化技术获得表层具有不同晶粒尺寸的镁合金试样，通过在真空热处理炉中固态扩渗Al、Zn和Zn+Al形成扩渗涂层。研究镁合金表层原始晶粒尺寸对扩渗层质量（厚度、致密度、物相组成、形貌、界面结合特征等）及扩渗后镁合金耐腐蚀性能的影响规律，阐明不同晶粒尺寸下扩渗合金元素的扩散行为、扩渗涂层形成、生长和转变行为以及扩渗后镁合金的电化学腐蚀行为，揭示扩渗涂层形成机理和扩渗后镁合金的腐蚀机制。建立镁合金表面原始晶粒尺寸、扩渗涂层和腐蚀性能之间的关系模型，从而为镁合金表面固态扩渗的设计与制备提供理论和实验依据。

镁合金具有质量轻、密度低、比刚度和比强度高以及电磁屏蔽性能好等优点，在航空航天、汽车、通讯电子等领域应用的非常广泛，被誉为是“21世纪的绿色工程材料”。但镁合金的致命缺点是电位低，耐腐蚀性能差。为了提高镁合金的耐腐蚀性能，采用在镁合金表面固态扩渗Zn、Al和Zn+Al来提高基耐腐蚀性能。该项目主要选取AZ31镁合金为研究对象，研究了镁合金原始晶粒尺寸、稀土氧化物La2O3、扩渗温度和扩渗时间对渗层组织和腐蚀性能的影响。研究表明：在不考虑原始晶粒和渗剂中添加稀土氧化物的情况下，对于铸态下的AZ31镁合金，单独扩渗Al和Zn所需要的扩渗温度选择在430℃，扩渗时间为6h条件下扩渗；而在AZ31镁合金表面扩渗Zn+Al的温度可降到350℃，扩渗时间为8h，Zn和Al的协同作用加速了扩渗进程。在确定适宜的扩渗温度条件下，镁合金原始晶粒尺寸对渗层组织和腐蚀性能也有很大的影响。在扩渗外界条件相同的情况下，镁合金原始晶粒越细，所获得的渗层越厚，渗层中的物相也越多。镁合金原始晶粒细化后，晶界增多，镁合金处于高能状态，可部分降低外界温度所提供的能量，因此晶粒细化加速了扩渗进程，只需要控制好扩渗时间即可得到耐腐蚀性能较好的试样。在扩渗剂中加入少量La2O3（0.2%、0.4%、0.6%）后，随La2O3含量的增加，可显著加快扩渗进程，在同一扩渗温度（390℃）同一扩渗时间（4h）下，对于扩渗Zn来说，渗层组织中可出现如下物相：Mg0.97Zn0.03，MgZn、Mg2Zn11、Mg2Zn3和MgZn2。若渗层中单独出现Mg0.97Zn0.03，可成功在镁合金表面电镀铜提高其耐腐蚀性能；若组织中出现Mg0.97Zn0.03+ MgZn，在组织较细的情况下，可提高镁合金的耐腐蚀性能；当组织中出现Mg2Zn11后，渗层变厚，但渗层组织中的MgZn严重粗化，降低了镁合金耐腐蚀性能。因此，采用固态扩渗的方法提高镁合金的耐腐蚀性能，渗层的厚度不是起支配作用，控制好渗层的组织，使渗层组织的晶粒细小才能提高其耐腐蚀性能。