乳酸鈉對(duì)鎂合金微弧氧化膜層性能的影響

常立民，吳振東，田利豐

(1.吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000；2.白城師范學(xué)院 化學(xué)系，吉林 白城 137000)

乳酸鈉對(duì)鎂合金微弧氧化膜層性能的影響

常立民1，吳振東2，田利豐1

(1.吉林師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000；2.白城師范學(xué)院 化學(xué)系，吉林 白城 137000)

在NaAlO2、KH2PO4復(fù)合體系中添加不同濃度的乳酸鈉對(duì)鎂合金進(jìn)行微弧氧化處理，研究了陶瓷層生長(zhǎng)速率隨乳酸鈉濃度的變化規(guī)律，并對(duì)陶瓷層采用掃描電鏡進(jìn)行表面形貌觀察；利用X射線衍射儀對(duì)膜層相組成進(jìn)行分析，用電化學(xué)工作站進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線測(cè)試．結(jié)果表明：乳酸鈉濃度為3 mL/L時(shí)所獲得的膜層致密性較好并具有最佳的耐蝕性．

鎂合金；微弧氧化；乳酸鈉

0 引言

鎂合金由于其比重小、比強(qiáng)度高、優(yōu)良的抗沖擊性能，在汽車(chē)、電子以及航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1-4]，而且其楊氏模量以及密度與骨質(zhì)相近的特點(diǎn)使之成為最具潛力的醫(yī)用材料[5-8]．但鎂金屬具有極高的化學(xué)和電化學(xué)活性，耐蝕耐磨性較差，因而必須對(duì)其進(jìn)行表面防護(hù)處理[9]．微弧氧化技術(shù)又稱等離子體氧化技術(shù)，作為在傳統(tǒng)陽(yáng)極氧化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型的表面防護(hù)技術(shù)，能夠直接在金屬基體表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜，與普通的陽(yáng)極氧化相比，有著無(wú)污染、效率高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[10-12]．本文對(duì)在加入不同濃度的乳酸鈉電解液中處理的微弧氧化陶瓷層進(jìn)行分析，研究其對(duì)膜層結(jié)構(gòu)和耐蝕耐磨性能的影響．

1 實(shí)驗(yàn)部分

所采用的實(shí)驗(yàn)材料為AZ31鎂合金，元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：2.5% Al，0.8% Zn，0.6% Mn，0.1% Si，余量為Mg．規(guī)格為20 mm×20 mm×2 mm的標(biāo)準(zhǔn)方塊，處理前用240#、1000#、2000#的砂紙逐級(jí)打磨，然后分別在去離子水及丙酮溶液中超聲清洗．以AZ31鎂合金板作為陽(yáng)極，不銹鋼板為陰極采用WHD-300微弧氧化電源設(shè)備進(jìn)行處理，電解液成分為：15 g/L NaAlO2，4 g/L Na2HPO4，4 g/L EDTA-Ca，0～5 mL/L 乳酸鈉．工藝參數(shù)為：正向電流密度為100 mA/cm2，負(fù)向電流密度為40 mA/cm2，正、負(fù)向占空比為35%，頻率為100 Hz，終止電壓為450 V．

利用TT260數(shù)字型渦流測(cè)厚儀測(cè)定氧化膜的厚度；利用S-570型掃描電子顯微鏡(SEM，日本日立)觀察膜層的表面形貌；采用D/max-Ⅲc型X-射線衍射儀(XRD，日本理學(xué))分析微弧氧化膜層的相組成；采用Autolab電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，腐蝕介質(zhì)為Hank’s溶液．

2 結(jié)果與討論

2.1 乳酸鈉對(duì)微弧氧化膜厚度的影響

由圖1可以看出，在添加乳酸鈉濃度為0、1、3、5 mL/L時(shí)制得的微弧氧化膜的厚度分別為13.2、12.5、11.1、9.5 μm．隨著乳酸鈉濃度的增加，微弧氧化陶瓷膜的厚度逐漸降低，這是因?yàn)殡S著乳酸鈉濃度的增加，電解液的粘度逐漸上升，抑制了電解液中離子的遷移速率，使得微弧氧化膜層的生長(zhǎng)速率降低，從而導(dǎo)致隨著乳酸鈉濃度的提高微弧氧化膜層的厚度逐漸降低．

圖1 乳酸鈉濃度對(duì)微弧氧化膜厚度的影響

2.2 乳酸鈉對(duì)微弧氧化膜表面形貌的影響

從圖2中可以看出，隨著乳酸鈉濃度的增加，微弧氧化陶瓷膜表面孔隙逐漸減小，且孔隙率逐漸降低，在添加3 mL/L乳酸鈉時(shí)，微弧氧化陶瓷膜具有最小的孔隙率，而在添加5 mL/L乳酸鈉時(shí)，陶瓷膜表面孔隙明顯分布不均，且表面粗糙．微弧氧化陶瓷膜表面的孔隙是由于微弧氧化過(guò)程微弧放電導(dǎo)致的，乳酸鈉的加入有效的降低了電解液中的離子遷移速率，進(jìn)而抑制了微弧氧化弧光放電，因而隨著乳酸鈉濃度的提高陶瓷膜表面的孔隙減小且孔隙率降低．但由于乳酸鈉為弱酸鹽，因而當(dāng)乳酸鈉濃度過(guò)高時(shí)，電解液中質(zhì)子含量增大，此時(shí)微弧氧化過(guò)程重新出現(xiàn)弧光放電現(xiàn)象．

圖2乳酸鈉濃度對(duì)微弧氧化陶瓷膜表面形貌的影響

2.3 乳酸鈉對(duì)微弧氧化膜相組成的影響

由圖3中可以看出，微弧氧化陶瓷膜層的主要成分為Mg、MgO以及MgAl2O4，添加劑乳酸鈉的加入沒(méi)有改變膜層的組成成分，僅對(duì)膜層成分含量有影響．添加乳酸鈉后陶瓷膜中Mg的衍射峰強(qiáng)度減弱，MgAl2O4的衍射峰有所增強(qiáng)，圖中沒(méi)有鈣磷化合物的衍射峰出現(xiàn)，這說(shuō)明雖然鈣磷元素進(jìn)入到膜層中，但并沒(méi)有形成晶體．

圖3 乳酸鈉濃度對(duì)微弧氧化陶瓷膜相組成的影響

2.4 乳酸鈉對(duì)微弧氧化膜耐蝕性的影響

圖4為在Hank’s溶液中的動(dòng)電位極化曲線，表1為其擬合后的電參數(shù)．Hank’s溶液是生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常用的無(wú)機(jī)鹽溶液和平衡鹽溶液，因而在Hank’s溶液中獲得的動(dòng)電位極化曲線是是一種有效的體外測(cè)試生物材料表面耐腐蝕性能的方法．由圖4可以看出，添加劑乳酸鈉的加入提高了微弧氧化陶瓷膜的耐蝕性，乳酸鈉的加入使得腐蝕電位正移，但影響不大，腐蝕電流密度明顯減小，且在加入3 mL/L乳酸鈉時(shí)達(dá)到最小腐蝕電流密度，加入5 mL/L乳酸鈉時(shí)與加入3 mL/L相比，腐蝕電位減小，且腐蝕電流密度增大，這可能是由于膜層的致密程度較差造成的．

圖4 不同濃度乳酸鈉制備的微弧氧化陶瓷膜的動(dòng)電位極化曲線表1 曲線擬合后的電化學(xué)參數(shù)

乳酸鈉濃度mL·L-1腐蝕電位Ecorr/Vvs.SCE腐蝕電流密度jcorr/A(×10-6A·cm-2)0-1.304.021-1.272.173-1.240.425-1.281.01

3 結(jié)論

在NaAlO2、KH2PO4復(fù)合體系中添加不同濃度的乳酸鈉對(duì)鎂合金進(jìn)行微弧氧化處理，當(dāng)乳酸鈉濃度為3 mL/L時(shí)，所獲得的膜層表面平整，且致密性較好，具有優(yōu)良的耐蝕性能．但乳酸鈉的加入沒(méi)有使微弧氧化膜層的成分發(fā)生變化，僅對(duì)其中各組分的含量有影響．

[1]李 軼，程培元，華 林．鎂合金在汽車(chē)工業(yè)和3C產(chǎn)品中應(yīng)用[J].江西有色金屬,2007,2(21):30～33.

[2]常立民,周 瑩,劉 偉，等.鎂合金表面脈沖電沉積Zn 過(guò)渡層的研究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,35(2):105～108.

[3]H.Hornberger,S.Virtanen,A.R.Boccaccini.Biomedical coatings on magnesium alloys-A review[J].Acta Biomaterialia,2012,8(7):2442～2455.

[4]肖利余,立 軍.晶須增強(qiáng)鋁、鎂金屬基復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,25(2):76～78.

[5]P.Bala Srinivasan,J.Liang,C.Blawert,et al.Characterization of calcium containing plasma electrolytic oxidation coatings on AM50 magnesium alloy[J].Applied Surface Science,2010,(256):4017～4022.

[6]C.L.Liu,Y.C.Xin,G.Y.Tang.Influence of heat treatment on degradation behavior of bio-degradable die-cast AZ63 magnesium alloy in simulated body fluid [J].Materials Science and Engineering,2007,456:350～357.

[7]G.Han,J.Y.Lee,Y.C.Kim ,et al.Preferred crystallographic pitting corrosion of pure magnesium in Hank’s solution[J].Corrosion Science,2012,63:316～322.

[8]劉 偉,常立民,段小月，等.電流密度對(duì)含Ca和P鎂合金微弧氧化膜性能的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程,2013,36(4):33～36.

[9]L.C.Zhao,C.X.Cui,Q.Z.Wang,et al.Growth characteristics and corrosion resistance L.C.of micro-arc oxidation coating on pure magnesium for biomedical applications[J].Corrosion Science,2010,52:2228～2234.

[10]陳顯明．鎂合金微弧氧化表面層多孔結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制[J].材料保護(hù)，2009,42(1):1～4.

[11]I.J.Hwang,D.Y.Hwang,Y.G.Ko,et al.Correlation between current frequency and electrochemical properties of Mg alloy coated by micro arc oxidation[J].Surface & Coatings Technology,2012,(206):3360～3365.

[12]烏 迪，劉向東，呂 凱，等．丙三醇對(duì)鎂合金微弧氧化過(guò)程及膜層的影響[J].材料保護(hù)，2009,42(2):1～3.

EffectsofSodiumLactateonPerformanceofMicro-arcOxidationCoatingonMgalloy

CHANGLi-min1,WUZhen-dong2,TIANLi-feng1

(1.College of Chemistry,Jilin Normal University,Siping 136000,China；2.Department of Chemistry,Baicheng Normal College,Baicheng 137000,China)

Magnesium alloy was prepared by micro-arc oxidation in the NaAlO2,KH2PO4compround system adding different concentrations of sodium lactate.Variation rules of the growth rate of ceramic layer with sodium lactate concentration were studied.Morphology and structure of the ceramic layer were observed by SEM.The phase composition of film was analyzed by XRD.The potentiodynamic polarization curves were tested by the electrochemical workstation.The results show that when concentration of sodium lactate is 3 mL/L,the denseness of ceramic coating is good,and the corrosion resistance of ceramic coating is the best.

magnesium alloy;micro-arc oxidation (MAO);sodium lactate

林險(xiǎn)峰)

2014-06-10

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20120407，20100546)；吉林省教育廳“十二五”科技項(xiàng)目(吉教科字2012第172號(hào))；吉林省環(huán)保廳項(xiàng)目(吉環(huán)科字第2011-23)

常立民(1966-) ，男，吉林省農(nóng)安縣人，現(xiàn)為吉林師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授，博士，博士生導(dǎo)師． 研究方向:應(yīng)用電化學(xué)、新型功能材料．

TQ153

A

1674-3873-(2014)03-0122-03