乳酸钠对镁合金微弧氧化膜层性能的影响

常立民，吴振东，田利丰

(1.吉林师范大学 化学学院，吉林 四平 136000；2.白城师范学院 化学系，吉林 白城 137000)

乳酸钠对镁合金微弧氧化膜层性能的影响

常立民1，吴振东2，田利丰1

(1.吉林师范大学 化学学院，吉林 四平 136000；2.白城师范学院 化学系，吉林 白城 137000)

在NaAlO2、KH2PO4复合体系中添加不同浓度的乳酸钠对镁合金进行微弧氧化处理，研究了陶瓷层生长速率随乳酸钠浓度的变化规律，并对陶瓷层采用扫描电镜进行表面形貌观察；利用X射线衍射仪对膜层相组成进行分析，用电化学工作站进行动电位极化曲线测试．结果表明：乳酸钠浓度为3 mL/L时所获得的膜层致密性较好并具有最佳的耐蚀性．

镁合金；微弧氧化；乳酸钠

0 引言

镁合金由于其比重小、比强度高、优良的抗冲击性能，在汽车、电子以及航天等领域有着广泛的应用价值[1-4]，而且其杨氏模量以及密度与骨质相近的特点使之成为最具潜力的医用材料[5-8]．但镁金属具有极高的化学和电化学活性，耐蚀耐磨性较差，因而必须对其进行表面防护处理[9]．微弧氧化技术又称等离子体氧化技术，作为在传统阳极氧化技术基础上发展起来的一种新型的表面防护技术，能够直接在金属基体表面原位生长陶瓷膜，与普通的阳极氧化相比，有着无污染、效率高、工艺简单等优点，具有广阔的应用前景[10-12]．本文对在加入不同浓度的乳酸钠电解液中处理的微弧氧化陶瓷层进行分析，研究其对膜层结构和耐蚀耐磨性能的影响．

1 实验部分

所采用的实验材料为AZ31镁合金，元素组成(质量分数)为：2.5% Al，0.8% Zn，0.6% Mn，0.1% Si，余量为Mg．规格为20 mm×20 mm×2 mm的标准方块，处理前用240#、1000#、2000#的砂纸逐级打磨，然后分别在去离子水及丙酮溶液中超声清洗．以AZ31镁合金板作为阳极，不锈钢板为阴极采用WHD-300微弧氧化电源设备进行处理，电解液成分为：15 g/L NaAlO2，4 g/L Na2HPO4，4 g/L EDTA-Ca，0～5 mL/L 乳酸钠．工艺参数为：正向电流密度为100 mA/cm2，负向电流密度为40 mA/cm2，正、负向占空比为35%，频率为100 Hz，终止电压为450 V．

利用TT260数字型涡流测厚仪测定氧化膜的厚度；利用S-570型扫描电子显微镜(SEM，日本日立)观察膜层的表面形貌；采用D/max-Ⅲc型X-射线衍射仪(XRD，日本理学)分析微弧氧化膜层的相组成；采用Autolab电化学工作站进行电化学测试，腐蚀介质为Hank’s溶液．

2 结果与讨论

2.1 乳酸钠对微弧氧化膜厚度的影响

由图1可以看出，在添加乳酸钠浓度为0、1、3、5 mL/L时制得的微弧氧化膜的厚度分别为13.2、12.5、11.1、9.5 μm．随着乳酸钠浓度的增加，微弧氧化陶瓷膜的厚度逐渐降低，这是因为随着乳酸钠浓度的增加，电解液的粘度逐渐上升，抑制了电解液中离子的迁移速率，使得微弧氧化膜层的生长速率降低，从而导致随着乳酸钠浓度的提高微弧氧化膜层的厚度逐渐降低．

图1 乳酸钠浓度对微弧氧化膜厚度的影响

2.2 乳酸钠对微弧氧化膜表面形貌的影响

从图2中可以看出，随着乳酸钠浓度的增加，微弧氧化陶瓷膜表面孔隙逐渐减小，且孔隙率逐渐降低，在添加3 mL/L乳酸钠时，微弧氧化陶瓷膜具有最小的孔隙率，而在添加5 mL/L乳酸钠时，陶瓷膜表面孔隙明显分布不均，且表面粗糙．微弧氧化陶瓷膜表面的孔隙是由于微弧氧化过程微弧放电导致的，乳酸钠的加入有效的降低了电解液中的离子迁移速率，进而抑制了微弧氧化弧光放电，因而随着乳酸钠浓度的提高陶瓷膜表面的孔隙减小且孔隙率降低．但由于乳酸钠为弱酸盐，因而当乳酸钠浓度过高时，电解液中质子含量增大，此时微弧氧化过程重新出现弧光放电现象．

图2乳酸钠浓度对微弧氧化陶瓷膜表面形貌的影响

2.3 乳酸钠对微弧氧化膜相组成的影响

由图3中可以看出，微弧氧化陶瓷膜层的主要成分为Mg、MgO以及MgAl2O4，添加剂乳酸钠的加入没有改变膜层的组成成分，仅对膜层成分含量有影响．添加乳酸钠后陶瓷膜中Mg的衍射峰强度减弱，MgAl2O4的衍射峰有所增强，图中没有钙磷化合物的衍射峰出现，这说明虽然钙磷元素进入到膜层中，但并没有形成晶体．

图3 乳酸钠浓度对微弧氧化陶瓷膜相组成的影响

2.4 乳酸钠对微弧氧化膜耐蚀性的影响

图4为在Hank’s溶液中的动电位极化曲线，表1为其拟合后的电参数．Hank’s溶液是生物医学实验中最常用的无机盐溶液和平衡盐溶液，因而在Hank’s溶液中获得的动电位极化曲线是是一种有效的体外测试生物材料表面耐腐蚀性能的方法．由图4可以看出，添加剂乳酸钠的加入提高了微弧氧化陶瓷膜的耐蚀性，乳酸钠的加入使得腐蚀电位正移，但影响不大，腐蚀电流密度明显减小，且在加入3 mL/L乳酸钠时达到最小腐蚀电流密度，加入5 mL/L乳酸钠时与加入3 mL/L相比，腐蚀电位减小，且腐蚀电流密度增大，这可能是由于膜层的致密程度较差造成的．

图4 不同浓度乳酸钠制备的微弧氧化陶瓷膜的动电位极化曲线表1 曲线拟合后的电化学参数

乳酸钠浓度mL·L-1腐蚀电位Ecorr/Vvs.SCE腐蚀电流密度jcorr/A(×10-6A·cm-2)0-1.304.021-1.272.173-1.240.425-1.281.01

3 结论

在NaAlO2、KH2PO4复合体系中添加不同浓度的乳酸钠对镁合金进行微弧氧化处理，当乳酸钠浓度为3 mL/L时，所获得的膜层表面平整，且致密性较好，具有优良的耐蚀性能．但乳酸钠的加入没有使微弧氧化膜层的成分发生变化，仅对其中各组分的含量有影响．

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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

林险峰)

2014-06-10

吉林省科技发展计划项目(20120407，20100546)；吉林省教育厅“十二五”科技项目(吉教科字2012第172号)；吉林省环保厅项目(吉环科字第2011-23)

常立民(1966-) ，男，吉林省农安县人，现为吉林师范大学化学学院教授，博士，博士生导师． 研究方向:应用电化学、新型功能材料．

TQ153

A

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