【摘 要】
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钢铁材料是现代社会使用最广泛的材料之一,但是,钢铁材料在使用环境中(如海洋、土壤、大气等环境)极易发生腐蚀,全球每年的钢铁腐蚀损失达上千亿美元。热浸镀锌是钢铁腐蚀防护最常用的技术:镀锌层同时具备隔离防护和牺牲阳极保护的优点。锌铝合金因其优良的耐腐蚀性能和低廉的成本,是应用最广泛的热浸锌基镀层之一。锌基镀层优越的腐蚀防护性能与其腐蚀产物形成的保护膜密切相关,为了有效提高镀锌层的耐蚀性能,延长钢铁的服
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钢铁材料是现代社会使用最广泛的材料之一,但是,钢铁材料在使用环境中(如海洋、土壤、大气等环境)极易发生腐蚀,全球每年的钢铁腐蚀损失达上千亿美元。热浸镀锌是钢铁腐蚀防护最常用的技术:镀锌层同时具备隔离防护和牺牲阳极保护的优点。锌铝合金因其优良的耐腐蚀性能和低廉的成本,是应用最广泛的热浸锌基镀层之一。锌基镀层优越的腐蚀防护性能与其腐蚀产物形成的保护膜密切相关,为了有效提高镀锌层的耐蚀性能,延长钢铁的服役时间,有必要对镀锌层腐蚀产物的物相组成及性能进行系统的探究。目前较多的研究认为锌铝镀层腐蚀产物膜的优良防护性能,与其腐蚀过程中表面沉积的层状双金属氢氧化物(Zn6Al2(OH)16CO3,LDH)和碱式氯化锌(Zn5(OH)8Cl2,ZHC)的含量及形貌有关。但是,大多数锌合金镀层腐蚀行为的探究中,将腐蚀产物的物相组成信息仅仅作为补充数据进行分析,对于腐蚀产物中LDH与ZHC对锌合金腐蚀的防护机理还缺乏确切的解释。因此,本工作首先在纯Zn表面制备了ZHC和LDH两种腐蚀产物,对比分析了LDH和ZHC对纯Zn的腐蚀行为的影响;随后讨论了LDH在锌铝合金表面的生长形成行为及其对腐蚀防护的影响机理。主要结论如下:(1)采用原位生长法在纯Zn基体表面制备LDH和ZHC膜,对比分析了LDH与ZHC膜的微观组织及其对纯Zn腐蚀的防护性能,发现LDH纳米片比ZHC更致密;并且LDH比ZHC与锌基体的结合能力更好;通过电化学测试发现制备的LDH和ZHC都可以抑制Zn基体的阳极溶解,提高腐蚀产物层的防护性能,从而有效阻碍了腐蚀的进行,且LDH的作用更为明显。(2)探究了Zn-5Al、Zn-55Al合金表面LDH的生长行为,发现铝含量对LDH生长形貌有重要影响:对于Zn-5Al合金基体,LDH纳米片在Zn/Al共析区的致密度要大于Zn/Al共晶区;Zn-55Al合金富铝枝晶区LDH纳米片的致密度大于富锌枝晶间区,并且富铝区的LDH的尺寸更细小。并讨论了LDH的生长机理:Al元素是LDH生长的必要的组分,富Al区表面的Al2O3转化为Al(OH)3,LDH在Al(OH)3处形核;铝含量越高的区域,LDH纳米片形态更致密,尺寸更小。(3)通过对比Zn-5Al和LDH/Zn-5Al腐蚀行为,探讨了LDH对Zn-5Al耐腐蚀性能的影响,分析锌合金腐蚀产物的形貌、成分和性能随浸泡时间的变化。Tafel分析表明,LDH膜能有效抑制阴极氧还原反应,并提高合金的腐蚀电位。LDH能增强腐蚀产物层对Zn-5Al基底腐蚀的防护性能。与Zn-5Al合金相比,制备的LDH膜在LDH/Zn-5Al基体上作为腐蚀产物层的骨架,且碱式碳酸锌(Zn5(CO3)2(OH)6,HZ)沉积在LDH纳米片的网状孔隙中,这将减少腐蚀产物层裂缝的产生,增强其隔离和保护性能。(4)通过对比Zn-55Al和LDH/Zn-55Al腐蚀行为,探讨了LDH对Zn-55Al耐腐蚀性能的影响。Zn-55Al合金在浸泡腐蚀过程中,富锌相优先被腐蚀形成ZHC,HZ及少量Zn O,随着浸泡时间的延长,表面出现LDH。预先制备的LDH可减少非晶态HZ的形成,使腐蚀产物膜主要为ZHC及LDH,在合金表面形成致密的腐蚀产物层,提升了腐蚀产物膜的隔离作用。电化学分析表明LDH膜能有效抑制阴极氧还原反应,并提高腐蚀产物层电阻,可以有效的阻止腐蚀介质对合金基体的侵蚀。
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