CN109811285A - 一种提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法 - Google Patents
一种提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种提高Mg‑10Li‑3Al‑3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法，包括以下步骤：1)对新型超轻镁锂合金(Mg‑10Li‑3Al‑3Zn)表面进行打磨后用丙酮擦拭；2)采用激光表面重熔在Mg‑10Li‑3Al‑3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区，直至覆Mg‑10Li‑3Al‑3Zn盖镁锂合金表面为止，其中，相邻两个重熔区的搭接率为10％～20％，得处理后的Mg‑10Li‑3Al‑3Zn镁锂合金，该方法有效避免化学转化膜、微弧氧化及化学镀遇到的问题。
Description
技术领域
本发明属于金属表面改性领域，涉及一种提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法。
背景技术
镁锂合金作为超轻合金(ρ＝1.45g/cm3)，比重轻，比强度、比刚度高且有优良的电磁屏蔽性能、生物相容性和再循环性，在航天、汽车、医疗、高级电子和运动设备等领域有广阔的应用前景。Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金是已开发成熟可量产化的超轻结构材料。该材料在我国的航天领域应用频繁广泛，先后在我国2015年的“浦江一号”卫星上成功使用、2016年的高分辨率微纳卫星结构件整体成功使用、以及2018年的“通信技术试验卫星三号”预埋件、支架和部分机箱机壳等部位成功使用，这一新型材料的使用使整个卫星减重了约173KG，大大地提高了卫星的有效载荷量。Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金代表了国家镁锂合金发展的技术前沿，被称为未来最为“绿色环保”的革命性材料。但是Mg的标准电极电势为-2.37V，Li的标准电极电势为-3.02V，两者都属于高化学活性的金属元素。由于镁、锂的活泼性，镁锂合金极易氧化，而形成的氧化膜致密度低、多孔，不能有效地保护基体，从而镁锂合金在潮湿的空气中极易作为阳极而发生电化学腐蚀，使得镁锂合金的耐蚀性很差。目前制约新型超轻镁锂合金广泛运用的主要问题就是其极差的耐蚀性。至今镁合金还未发现类似于保护铁表面所镀锌的有效保护涂层。
针对上述问题，很多学者开展了大量研究。
李玲莉等人研究了高锰酸盐转化膜对Mg-8Li-2A1-3Zn-0.7Y镁锂合金耐蚀性的影响。结果表面，当高锰酸盐溶液浓度为4.0g/L时，高锰酸盐转化膜较均匀、平整，间隙较小，转化膜主要由锰的氧化物组成，降低了腐蚀电流密度近一个数量级，提高了基体耐腐蚀性。但由于高锰酸在酸性中是强氧化剂，易被还原而不稳定，所以处理工艺较为困难。
黄晓梅等人研究了植酸转化膜对镁锂铝三元合金耐蚀性的影响。结果表明，膜层成分主要为合金的金属离子与植酸反应生成的配合物，在金属表面形成一层致密的单分子保护膜，合金耐蚀性提高但仍和母材在同一数量级。但植酸转化处理液消耗快，成膜质量不稳定，且处理液中含有高分子化合物，废液处理较为困难。
景晓燕等人采用微弧氧化技术在Mg-5Li-3.5A1-1Zn-1.2Ce-1.5Mn镁锂合金表面制备了微弧氧化膜。结果表明，该氧化膜膜层多孔且存在龟裂，具有双层结构，主要由方镁石型氧化镁和无定形磷酸盐化合物组成，能提高镁锂合金的耐蚀性。但微弧氧化技术功耗高；电压高时，合金表面易烧蚀。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法，该方法有效避免化学转化膜、微弧氧化及化学镀遇到的问题。
为达到上述目的，本发明所述的提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法包括以下步骤：
1)对Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面进行打磨后用丙酮擦拭；
2)采用激光表面重熔在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区，直至覆盖Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面为止，其中，相邻两个重熔区的搭接率为10％～20％，得处理后的Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金。
步骤2)中采用激光表面重熔在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区的过程中，激光波长为1060nm。
步骤2)中采用激光表面重熔在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区的过程中，激光作用于Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面的线能量为150J·cm-1。
步骤1)中利用砂纸对Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面进行打磨。
所述Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金为Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金板材。
重熔区中α相和颗粒状第二相析出物消失，得到的组织近乎于单一的β相。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法在具体操作时，通过激光表面重熔在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区，使得由α相、β相及颗粒状析出物组成的Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金经历了快速熔化及快速凝固的过程，以增加α相和析出物的固溶极限，减少局部微电偶电池活性，降低因多相结构电势不同而产生的微观腐蚀电偶，降低腐蚀电流密度约2个数量级，以提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金的耐蚀性，相对于化学镀、化学转化膜、微弧氧化等现有方法，具有稳定性好、无污染且后续处理步骤不需要转换处理液的特点。
附图说明
图1为本发明中激光表面重熔的示意图；
图2a为Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金激光表面重熔前的组织扫描电镜图；
图2b为Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金激光表面重熔后的组织扫描电镜图
图3a为激光重熔前Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金在0.1M NaCl溶液中浸泡45分钟后的形貌示意图；
图3b为激光重熔后Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金在0.1M NaCl溶液中浸泡45分钟后的形貌示意图；
图4为Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金母材、激光表面重熔试样在0.1M NaCl溶液中阻抗的谱图；
图5为Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金母材在不同线能量及搭接率下激光表面重熔试样在0.1M NaCl溶液中的电荷转移电阻示意图；
图6为搭接率为20％时，Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金母材激光表面重熔试样在0.1MNaCl溶液中的电荷转移电阻Rt与不同线能量的拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法包括以下步骤：
1)对Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金(该合金母材的组织主要由α、β两相以及颗粒状第二相析出物组成)表面进行打磨后用丙酮擦拭；
2)采用激光表面重熔在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区，直至覆盖Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面为止，其中，相邻两个重熔区的搭接率为10％～20％，得处理后的Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金。
步骤2)中采用激光表面重熔在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区的过程中，激光波长为1060nm。
步骤2)中采用激光表面重熔在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区的过程中，激光作用于Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面的线能量为150J·cm-1。
步骤1)中利用砂纸对Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面进行打磨；所述Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金为镁锂合金板材；重熔区中α相和颗粒状第二相析出物消失，得到的组织近乎于单一的β相。
本发明提出了以线能量为控制参数，得到激光表面重熔改善Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金耐蚀性最优热输入范围，本发明提出了电荷转移电阻Rt(y/Ω·cm-2)与线能量(x/J·cm-1)的模型(R2＝0.736)y＝-4625+95.95x1-0.296x2。
实施例一
将尺寸为50mm×40mm×5mm的新型超轻镁锂合金(Mg-10Li-3Al-3Zn)板材用砂纸打磨至600#，并用丙酮清洗擦拭，以除去金属表面的氧化膜和油污。将镁锂合金板材固定在工作台上，使用IPG-4000型光纤激光器以P＝3500W、V＝10m·min-1、f＝15mm、κ＝20％的参数进行激光表面重熔，重熔过程中，整个试板位于充满氩气的保护罩中。
母材的组织由α+β两相组成，粗大的白亮色长条状α相均匀分布在灰色β相基体上，黑色颗粒状析出物弥散分布在基体上，如图2a；激光表面重熔处理后仅有β一种组织，其晶粒尺寸约为5μm，如图2b所示。参考图2a和图2b，对Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金进行激光表面重熔，使母材的多相组织转变为单一的β组织。
激光重熔前后Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金在0.1M的NaCl溶液中浸泡45min后的形貌如图3a及图3b所示，浸泡腐蚀45min后母材区域已经出现了大量点蚀坑，如图3(a)；而经过激光表面重熔后的试样表面的点蚀坑数量大大减少，几乎没有点蚀坑，如图3(b)，由此说明激光表面重熔可以大大提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金的耐蚀性。
Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金母材及激光表面重熔试样在0.1M的NaCl溶液中阻抗谱图如图4所示，一般电化学阻抗谱图中圆弧半径越大，其阻抗越大，表明其耐腐蚀性越好，母材的Nyquist图呈现出类似于金属Mg的电化学特征，即有高频的容抗弧和随频率递减延伸到第三象限的感抗弧，如图4中的圆形曲线；而激光表面重熔试样在NaCl溶液中的电化学阻抗谱则与金属Mg不同，阻抗谱在低频没有出现感抗弧，只有一个或两个相连的容抗弧，如图4中的三角形曲线。分析认为，这可能是因为激光表面重熔试样表面近似为单一的β-Li组织，微观电流耦合导致了主要在α-Mg和β-Li表面的局部腐蚀，所以单相Mg-Li合金的耐腐蚀比双相Mg-Li合金的耐腐蚀更好；电荷转移电阻Rt通常为整个腐蚀系统的决速步骤，其大小可以很好地反映耐蚀性强弱。通过等效电路拟合，母材电荷转移电阻的Rt为1599Ω·cm2；激光表面重熔试样的电荷转移电阻Rt为17693Ω·cm2，说明激光表面重熔能明显地提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金的耐蚀性。
设计关于激光功率P、扫描速度V、搭接率κ的激光重熔正交试验，在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金上进行激光表面重熔，将得到的重熔试样在0.1M的NaCl溶液中进行电化学腐蚀。并以电荷转移电阻Rt为因变量，P/V及κ为自变量，制作能够表示耐蚀性强弱的电荷转移电阻Rt随激光表面重熔线能量和搭接率变化的趋势图，如图5所示。电荷转移电阻Rt的峰值随搭接率的增加而增加；激光作用于材料表面的线能量处于150J·cm-1时，电荷转移电阻Rt达到峰值，激光表面重熔对改善镁锂合金耐蚀性的效果最好。
Claims (6)
1.一种提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面进行打磨后用丙酮擦拭；
2)采用激光表面重熔在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区，直至覆盖Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面为止，其中，相邻两个重熔区的搭接率为10％～20％，得处理后的Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金。
2.根据权利要求1所述的提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法，其特征在于，步骤2)中采用激光表面重熔在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区的过程中，激光波长为1060nm。
3.根据权利要求1所述的提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法，其特征在于，步骤2)中采用激光表面重熔在Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面依次形成若干重熔区的过程中，激光作用于Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面的线能量为150J·cm-1。
4.根据权利要求1所述的提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法，其特征在于，步骤1)中利用砂纸对Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面进行打磨。
5.根据权利要求1所述的提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法，其特征在于，所述Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金为Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金板材。
6.根据权利要求1所述的提高Mg-10Li-3Al-3Zn镁锂合金表面耐蚀性的方法，其特征在于，重熔区中α相和颗粒状第二相析出物消失，得到的组织近乎于单一的β相。
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