2198铝锂合金阳极氧化/硅烷复合膜层制备及耐蚀性能研究

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铝锂合金具有高比强度和比刚度,可作为航空航天领域最佳结构材料。但由于合金元素和杂质的存在,铝锂合金在铸态凝固和热机械加工过程中会产生非均匀组织,不同相之间易形成微观电偶联,导致合金发生局部腐蚀。为了改善铝锂合金在实际应用中的腐蚀问题,本文以2198-T851铝锂合金为研究对象,将阳极氧化技术和硅烷化技术相结合,在其表面制备阳极氧化/硅烷复合膜层。采用SEM、AFM、FTIR、XPS等表征方式探究膜层的结构形貌和化学组成,通过电化学测试和浸蚀实验分析膜层的耐蚀性能及腐蚀行为机理。首先,采用酒石酸-硫酸环保型溶液体系对2198-T851铝锂合金进行阳极氧化处理,研究阳极氧化电压对阳极氧化膜的生长行为、结构形貌及耐蚀性能的影响。研究表明,阳极氧化膜为多孔结构(孔径约为10nm),表面存在孔洞缺陷,其成分主要有Al2O3、AlOOH和Al2(SO43。2198-T851铝锂合金的点蚀电位为-0.68V,阳极氧化样品未出现点蚀电位;阳极氧化样品(TSA样品)的腐蚀电位相比于基体的腐蚀电位均向正方向移动,腐蚀电流密度降低1个数量级;2198基体的低频阻抗仅为103.84Ω·cm2,经阳极氧化处理后合金的低频阻抗提高了2个数量级。阳极氧化膜的耐蚀性能和阻挡层厚度和表面缺陷有关,且表面缺陷的存在会显著降低氧化膜的耐蚀性能。未经封孔的阳极氧化膜在浸泡4天后低频阻抗快速下降至和基体的低频阻抗相同数量级,阻挡层不再具有腐蚀保护能力。其次,采用有机-无机混合硅烷(TEOS-GPTMS)对阳极氧化膜多孔结构和孔洞裂纹缺陷进行修复处理。研究表明,直接对阳极氧化膜进行硅烷化封闭处理时,阳极氧化膜表面沉积的硅烷量较少,并未生成完整连续的硅烷膜。硅烷膜的成膜效果由阳极氧化膜结构形貌决定,阳极氧化膜多孔层的厚度、孔径越小,表面缺陷越少,其硅烷化封闭的效果越好。阳极氧化膜硅烷化封闭处理样品(TSAS样品)的腐蚀电位相比TSA样品的腐蚀电位发生了正移,腐蚀电流密度下降;TSAS样品的低频阻抗和高频阻抗都高于TSA样品的低频阻抗和高频阻抗。TSAS样品多孔层的腐蚀防护能力在浸泡3天后就已失效,阻挡层的腐蚀防护能力在浸泡14天后失效。在0.1M NaCl溶液中浸泡21天后,TSAS样品的低频阻抗值比TSA样品的低频阻抗值高一个数量级。TSA样品浸泡21天后已经全面腐蚀,而TSAS样品浸泡21天后仅发生局部腐蚀。最后,采用水热法增加阳极氧化膜表面羟基数含量后再对其进行硅烷化封闭处理。研究表明,阳极氧化膜经水热预处理后,膜层的多孔结构转变为花瓣状结构,AlOOH/Al2O3的比重增加。阳极氧化膜经水热预处理后再进行硅烷化处理其表面沉积了一层平滑、致密的硅烷膜完全包覆多孔结构。阳极氧化膜水热处理后硅烷化样品(TSAHS样品)的腐蚀电位相比2198铝锂合金基体的腐蚀电位正移了136.9mV,腐蚀电流密度降低3个数量级。阳极氧化膜水热处理样品(TSAH样品)多孔层浸泡12小时后已经失效,其阻挡层浸泡7天后已经失效,浸泡21天后已经发生了全面腐蚀。TSAHS样品多孔层浸泡14天后才逐渐失效,膜层对基体表面的腐蚀保护能力在浸泡21天后仍未失效,浸泡21天后低频阻抗仍有105.70Ω·cm2,表面仅有一个点蚀孔。这充分表明,经水热预处理制备的硅烷/阳极氧化复合膜具有良好的长期耐腐蚀性能。
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