AZ31B镁合金电流密度的阴极偏置控制及其对镁合金氧化（MAO）涂层形成和耐腐蚀性的影响

《Surface and Coatings Technology》：Cathodic bias control of current density and its impact on MAO coating formation and corrosion resistance of AZ31B magnesium alloy

阴极电流密度调控在总电荷固定条件下影响AZ31B镁合金微弧氧化涂层的生长机制与电化学性能，高阴极密度导致涂层阻抗降低（~10^5Ω·cm2）并出现结构缺陷，而低阴极密度则提升阻抗（~10^6Ω·cm2）和耐蚀性，揭示阴极电流密度对涂层质量的关键作用。

　　这是一项关于镁合金微弧氧化（MAO）过程中阴极电流密度变化对涂层形成行为影响的研究。研究重点是通过系统调整阴极电流密度和持续时间，同时保持总阴极电荷不变，来探讨阴极电流密度如何影响AZ31B镁合金的MAO行为。研究采用了电化学阻抗谱（EIS）和扫描电子显微镜（SEM）等技术手段，对涂层的电化学性能和微观结构进行了分析和评估。

研究结果显示，当阴极电流密度高于阳极电流密度时，所形成的涂层表现出显著较低的阻抗值（约10^5 Ω·cm2），而阴极电流密度等于或低于阳极电流密度的涂层则显示出较高的阻抗值（约10^6 Ω·cm2）。这表明阴极电流密度在涂层形成过程中起着关键作用，不仅影响涂层的生长机制，还决定了其微观结构和腐蚀性能。进一步的SEM分析还发现，在4N样品中存在向内生长的非典型区域，这些区域在基底界面缺乏MgF?的富集，这种微观结构上的缺陷被认为可能是导致腐蚀性能下降的原因之一。

MAO技术因其在镁合金表面处理中的广泛应用而受到越来越多的关注。该技术能够产生厚、硬、强附着的氧化涂层，而无需依赖有毒化学物质。这种通过等离子体辅助形成的涂层不仅具有优异的耐腐蚀性能，还表现出良好的耐磨性和热稳定性能，使其在高强度、高功能的工业应用中具有明显优势。与传统的阳极氧化和电镀方法相比，MAO技术的灵活性和可控性使其成为一种极具潜力的表面处理方法。

在镁合金的应用中，除了其高强度和轻量特性，还因其在生物医学领域的生物相容性而受到青睐。此外，随着对能源效率的要求不断提高，镁合金也被广泛应用于汽车和航空航天等结构领域。然而，镁合金的高化学活性使得其在恶劣环境中容易发生腐蚀，从而限制了其实际应用。因此，提高镁合金的耐腐蚀性能成为研究的重点之一。MAO技术作为一种有效的表面处理方法，能够在不使用有害化学物质的情况下显著提高镁合金的耐久性和使用寿命。

在实际应用中，阴极偏压的引入被认为是提高涂层生长速度和附着力的重要因素。因此，许多研究采用交替电流或双极脉冲电源，这些电源同时包含阳极和阴极阶段。然而，对于镁合金而言，阴极偏压的影响尚未得到充分研究。尽管一些研究表明，阴极电流密度的增加可以提高涂层的致密性和减少孔隙率，但阴极偏压并不总是产生积极效果。例如，在某些情况下，当阴极电流密度超过阳极电流密度的临界值时，可能会导致涂层剥落或分层的现象。

为了更深入地理解阴极偏压对镁合金MAO行为的具体影响，本研究采用了一种控制设计，将四个样品组分别处理，每个样品组在每个脉冲周期中使用不同的阴极电流密度，同时保持总阴极电荷不变。这种设计不同于以往大多数研究，它们主要关注电流密度的变化，而没有考虑到总电荷的输送。通过固定总阴极电荷，可以更精确地隔离和分析阴极电流密度的影响。本研究所要探讨的是，在可控能量输入下，阴极电流密度的变化如何影响涂层的生长行为、微观结构演变和腐蚀性能。

在实验过程中，采用了基于硅酸盐的电解液，其成分包括12 g/L的Na?SiO?、4 g/L的NaF和2 g/L的NaOH，pH值为13.01，电导率为36.5 mS/cm。实验设置与之前的研究相同，确保了实验条件的一致性。通过实时电压监测，可以观察到涂层的生长过程和其电化学行为的变化。对于不同的阴极电流密度条件，电压响应表现出不同的特征，这进一步揭示了阴极电流密度对涂层形成机制的影响。

研究还发现，阴极电流密度的增加可能会导致涂层的结构缺陷，从而影响其耐腐蚀性能。例如，在某些样品中，阴极电流密度的增加导致了涂层在基底界面的结构变化，使得MgF?的富集减少，从而降低了涂层的耐腐蚀能力。这些发现表明，在进行MAO处理时，阴极电流密度的控制对于优化涂层性能至关重要。通过调整阴极电流密度和持续时间，可以有效地控制涂层的生长过程和其微观结构的演变。

本研究的结论表明，阴极电流密度对AZ31B镁合金的MAO行为有显著影响，即使在总阴极电荷保持不变的情况下。其中，3N样品表现出最佳的耐腐蚀性能和最高的阻抗值，尽管其涂层较薄，这说明涂层的质量比厚度更重要。此外，研究还发现，阴极电流密度的调整可以显著影响涂层的生长机制和其微观结构，这为优化MAO过程提供了新的思路。

本研究的实验设计和结果分析为镁合金表面处理技术的发展提供了重要的参考。通过精确控制阴极电流密度和总电荷，可以更好地理解涂层形成机制和其性能变化的原因。此外，研究还发现，阴极电流密度的调整可以显著影响涂层的耐腐蚀性能，这为未来在不同应用环境中优化MAO处理提供了可能的方向。

在实际应用中，阴极电流密度的控制对于提高镁合金的耐腐蚀性能具有重要意义。例如，在汽车发动机涡轮和生物医学植入物等应用中，阴极电流密度的调整可以显著提高涂层的性能。因此，本研究的结果不仅有助于理解MAO处理的基本原理，还为优化涂层性能提供了理论依据和技术支持。

本研究还强调了在进行MAO处理时，阴极电流密度和阳极偏压的相互作用。例如，阴极电流密度的增加可能会导致涂层的结构变化，从而影响其性能。因此，在进行MAO处理时，需要综合考虑阳和阳极偏压的相互作用，以确保涂层的质量和性能。

此外，本研究还发现，阴极电流密度的调整可以显著影响涂层的生长速度和附着力。例如，在某些样品中，阴极电流密度的增加导致了涂层的快速生长，从而提高了其附着力。因此，阴极电流密度的调整对于优化涂层性能具有重要意义。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和详细的分析，揭示了阴极电流密度对AZ31B镁合金MAO行为的重要影响。研究结果不仅为优化MAO处理提供了理论依据，还为未来在不同应用环境中提高涂层性能提供了新的思路和技术支持。