关于铝合金基材微地形对V/Zr基转化涂层形成动力学及耐腐蚀性影响的系统研究

《Thin Solid Films》：A systematic study on the influence of microtopography of aluminum alloy substrates on the formation kinetics and corrosion resistance of V/Zr-based conversion coatings

铝基合金微观地貌影响V/Zr转化涂层电化学活性与耐腐蚀性研究。通过电化学方法发现表面粗糙度（Ra）和峰谷平均深度（Rz）显著改变涂层形成动力学及腐蚀性能：Ra=0.52μm时合金电化学活性最高；Rz=4.29μm时涂层耐腐蚀性最佳（Rct=19.88kΩ·cm2），而Rz>5.22μm会导致覆盖率下降34%。

　　

李建忠|李明石|崔志春|李培东

多金属矿物生态冶金重点实验室（教育部资助），东北大学，沈阳，110819，中国辽宁省

摘要

本研究采用电化学方法探讨了铝合金微观形貌对V/Zr基转化涂层（V/ZrCC）的电化学活性、形成动力学和耐腐蚀性的影响。结果表明，铝合金基底的表面粗糙度（R_a）和平均峰谷深度（R_z）的差异导致V/ZrCC的电化学活性、涂层形成动力学和耐腐蚀性能也存在差异。较高的R_a值增加了表面积和活性位点，从而使铝合金基底表现出较高的电化学活性。当R_a值为0.52 μm时，铝合金的电化学活性最高。R_z值对V/ZrCC的形成动力学和耐腐蚀性有显著影响，在R_z为4.29 μm时，腐蚀阻力（电荷转移电阻Rct）达到最佳值19.88 kΩ·cm2；而当R_z大于5.22 μm时，由于涂层覆盖不完全，腐蚀阻力降低了34%。

引言

目前，基于Ti/Zr的转化涂层在金属防腐保护中发挥着越来越重要的作用。然而，这种涂层相对较薄，并且受到基底形态的显著影响。特别是在实际生产中，通常需要对基底进行表面预处理，以确保其良好的表面状态并满足生产要求。这些预处理往往会给基底带来不同的表面形貌和电化学性质[1,2]。上述微观结构和电化学性质的差异常常影响转化涂层的性能和防腐效果。

最近的研究强调了基底微观表面特征在调控基底电化学活性和化学转化涂层生长中的关键作用。Zhang等人研究了喷砂、抛光和抛光工艺对AZ91D镁合金上磷酸盐转化涂层结构特性和防腐性能的影响。他们发现，喷砂处理显著增加了基底的粗糙度和电化学活性，但由此形成的磷酸盐转化涂层存在许多缺陷（如孔洞和裂纹），从而降低了其耐腐蚀性。相比之下，经过抛光和抛光的基底表面粗糙度较低，有利于高性能转化涂层的形成[3]。Rangel等人强调了有效预处理工艺在获得优质转化涂层中的重要性，这归因于促进了基底与转化液界面的氧化还原反应[4]。Kim等人的研究表明，碳钢表面的纹理与锰酸盐涂层中晶体的尺寸及摩擦系数有关。他们的研究发现，通过平滑碳钢表面可以促进锰酸盐涂层中较大晶体的形成，从而显著提高涂层的摩擦性能[5]。Liu等人探讨了激光表面纹理处理对镁合金上磷酸盐转化涂层的表面和截面形貌、附着力及电化学腐蚀性能的影响。结果表明，激光表面纹理处理产生了多模态的表面粗糙度和较大的表面积，从而增强了转化涂层的沉积和与基底的附着力，并提高了涂层的防腐性能。值得注意的是，大多数研究关注的是厚度在几十微米范围内的磷酸盐涂层，而Ti/ZrCC通常具有纳米级厚度。尽管已经对磷酸盐涂层进行了大量研究，但基底形貌对纳米级Ti/Zr基涂层的影响尚未得到充分探索。因此，研究基底微观表面特征对Ti/ZrCC生长的影响对于理解其性能和潜在应用至关重要[[6], [7], [8], [9]]。

基于以上原因，本研究系统地研究了铝合金基底形态对其电化学活性以及V/Zr基转化涂层（V/ZrCC）生长动态的影响[[10], [11], [12]]。建立了铝合金形态、电化学活性与V/ZrCC生长动态及耐腐蚀性之间的关联。这项研究为预处理参数的选择、化学转化涂层配方的优化及其性能评估提供了理论和数据支持。

材料

实验样品采用Al6061合金制成，尺寸为10×10×2毫米。Al6061合金经过了T6热处理（固溶处理和人工时效处理）。其化学成分见表1。

转化处理前，基底表面使用2000目砂纸进行机械抛光处理。随后，将铝合金样品浸入10.0%的氢氧化钠水溶液中60秒（313 K）。之后，对基底表面进行处理...

铝合金基底表面粗糙度对电化学活性的影响

图1展示了机械抛光处理前后铝合金的表面形貌。不同形貌的铝合金分别用400#、800#和1200#表示，数字代表抛光砂纸的目数。

铝合金基底的表面粗糙度参数见表2。原始铝合金的平均粗糙度（R_a）为1.10 μm。400#、800#和1200#铝合金基底的R_a值分别为1.45、0.52和0.47 μm。

结论

系统研究表明，铝合金基底的微观形貌对V/ZrCC的形成和耐腐蚀性具有重要影响。较高的表面粗糙度（R_a=1.45 μm）通过增加表面积和活性位点密度来提高电化学活性和阴极反应速率。然而，R_z值影响涂层的形成动力学和性能：当R_z值超过5.22 μm时，会阻碍物质传递，抑制涂层形成并降低耐腐蚀性。

作者贡献声明

李建忠：概念构思、初稿撰写、数据分析、资金筹集、审稿与编辑。李明石：概念构思、方法设计、数据管理、监督、审稿与编辑。崔志春：实验研究、数据分析、审稿与编辑。李培东：概念构思、监督。

资助

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2019YFE0123900）、国家自然科学基金（项目编号：51974069）和中央高校基本科研业务费（项目编号：N2325004）的支持。

数据获取

本研究的数据可在文章及附带的在线补充材料中找到。

作者贡献声明

李建忠：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、资金筹集、概念构思。李明石：撰写——审稿与编辑、监督、方法设计、数据管理。崔志春：撰写——审稿与编辑、数据分析。李培东：监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。