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稀土Ce对镁合金微弧氧化膜层特性及腐蚀行为的影响探究

一、引言

1.1研究背景与意义

镁合金作为目前最轻的金属结构材料，凭借其密度小、比强度和比刚度高、减震性好、电磁屏蔽性好、易加工、易回收等一系列显著优势，在航空航天、汽车制造、电子通讯等众多领域展现出巨大的应用潜力，成为材料科学领域的研究热点之一。例如，在航空航天领域，使用镁合金可有效减轻飞行器重量，提升推重比，进而增强其运力和性能；在汽车工业中，应用镁合金有助于实现汽车轻量化，降低燃油消耗和尾气排放。随着科技的不断进步和工业的快速发展，各领域对镁合金的需求持续增长，其应用前景十分广阔。

然而，镁合金自身存在的一些固有缺陷严重制约了其进一步的广泛应用。其中，耐蚀性差是最为突出的问题之一。镁的标准电极电位较低，仅为-2.36V，在大多数介质环境中化学活性极高，极易发生腐蚀反应。在潮湿的大气环境中，镁合金表面容易迅速生成疏松多孔的腐蚀产物，这些产物无法有效阻止氧气和水分的进一步侵蚀，导致镁合金持续腐蚀；在含有氯离子的溶液中，镁合金的腐蚀速度会显著加快，点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀现象频发，严重影响其力学性能和使用寿命。镁合金耐蚀性差的问题限制了其在一些对耐腐蚀性要求较高的领域，如海洋工程、化工设备等的应用，同时也增加了其在使用过程中的维护成本和安全风险。

为了提高镁合金的耐蚀性能，科研人员进行了大量的研究工作，开发出了多种表面处理技术，如化学转化膜、金属涂层、阳极氧化和微弧氧化等。其中，微弧氧化（Micro-ArcOxidation，MAO）技术作为一种新兴的表面处理方法，具有独特的优势和广阔的应用前景，受到了广泛关注。微弧氧化技术是在阳极氧化的基础上发展起来的，它利用电化学方法，将镁合金置于电解质水溶液中，在高电压作用下，使材料表面的微孔处产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，在镁合金表面原位生长出一层陶瓷膜。这层陶瓷膜具有硬度高、耐磨性好、孔隙率低、与基体结合紧密等优点，能够显著提高镁合金的耐蚀性、耐磨性和绝缘性等性能。通过微弧氧化处理，镁合金表面的陶瓷膜可以有效阻挡外界腐蚀介质的侵入，降低腐蚀速率，延长其使用寿命；陶瓷膜的高硬度和良好的耐磨性也使得镁合金在摩擦环境下的性能得到大幅提升。

稀土元素由于其独特的电子结构和化学性质，在材料科学领域中展现出了重要的作用。在金属材料中添加稀土元素，往往能够对材料的组织结构和性能产生显著的影响。稀土元素Ce作为一种常见的稀土元素，在镁合金的研究中备受关注。已有研究表明，Ce添加到镁合金中，可以细化合金的微观组织，使晶粒尺寸减小，晶界面积增大，从而提高合金的强度和韧性。Ce还可以与合金中的其他元素形成金属间化合物，如Al4Ce等，这些化合物能够起到第二相强化的作用，进一步提升合金的力学性能。在耐蚀性方面，Ce能够使合金在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电位升高，与Al、O生成不连续的保护性氧化膜，有效提高合金的耐腐蚀性能。然而，目前关于稀土Ce对镁合金微弧氧化及其腐蚀行为影响的研究还相对较少，相关的作用机制和规律尚未完全明确。

深入研究稀土Ce对镁合金微弧氧化及其腐蚀行为的影响，具有重要的理论意义和实际应用价值。在理论方面，通过探究稀土Ce在微弧氧化过程中的作用机制，以及其对微弧氧化膜的组织结构、成分和性能的影响规律，可以进一步丰富和完善镁合金微弧氧化的理论体系，为后续的研究提供更坚实的理论基础。在实际应用方面，掌握稀土Ce对镁合金耐蚀性能的影响规律，有助于开发出性能更优异的镁合金材料及其表面处理工艺，从而扩大镁合金在航空航天、汽车、电子等领域的应用范围，推动相关产业的发展。同时，这也有助于提高材料的利用率，降低生产成本，减少资源浪费和环境污染，具有显著的经济和社会效益。

1.2国内外研究现状

1.2.1镁合金微弧氧化研究进展

微弧氧化技术作为一种高效、环保的表面处理方法，在镁合金表面改性领域得到了广泛的研究与应用。自20世纪90年代以来，国内外众多学者围绕镁合金微弧氧化技术展开了深入探索，取得了一系列重要成果。

在微弧氧化工艺参数对膜层性能影响方面，研究表明，电压、电流密度、氧化时间和频率等参数对膜层的生长、组织结构和性能起着关键作用。随着电压的升高，微弧放电的能量增强，能够促进膜层的生长，使膜层厚度增加。过高的电压会导致膜层表面出现大量的大尺寸孔洞和裂纹，降低膜层的致密性和耐蚀性。如Liu等人研究发现，在对AZ91镁合金进行微弧氧化处理时，当电压从300V增加到400V，膜层厚度从15μm增加到30μm，但膜层的孔隙率也从5%增加到10%。电流密度对膜层的影响同样显著，较高的电流密度可以加快膜层的生