[发明专利]一种镁合金表面电沉积Zn/Cu/Al-Zr三层复合镀层及制备方法

说明书

本发明属于镁合金表面防腐领域，具体涉及一种镁合金表面电沉积Zn/Cu/Al‑Zr三层复合镀层及制备方法。所述复合镀层结构由外向内分别为铝锆合金镀层、镀铜层以及镀锌层，其中铝锆合金镀层的制备在离子液体体系中完成，其余涉及液相的处理及电镀过程均在水基溶液中完成；本发明制造防护镀层的成本低、与镁合金基体之间的结合力强、对基体影响小；所获得的三层复合镀层各层之间经设计具有不同的电位差，当最外层出现破损和缺陷时，电化学牺牲阳极保护原理有效地将纵向腐蚀转为横向腐蚀，对镁合金基体提供良好的保护作用，从而使复合镀层整体具有优异的抗腐蚀性能，耐盐雾时间达到了144h，同时锆的添加还增加了镀层的表面光泽程度。

技术领域

本发明涉及金属表面防腐处理及电镀领域，特指一种镁合金表面电沉积Zn/Cu/Al-Zr三层复合镀层及制备方法。

背景技术

镁合金因其质量轻密度低、高比强度和比刚度、优秀的导热导电性、抗老化抗冲击以及阻尼减震性能优异等出众的材料特性，在航空航天，汽车交通，光学设备，生物医疗，民用、核用工业以及军工产品等诸多领域具有重要地位，并且近些年随着技术的不断进步，对镁合金的使用要求逐步提高，应用领域也越来越广泛。但不可忽视的是，在所有的工程金属材料中镁合金具有最高的电化学活性，在大气环境下极易腐蚀，这就需要对镁合金进行表面处理，以提高其耐蚀性能。因此，获得耐腐蚀性能强且对基体影响小的镁合金表面处理方案具有重要意义。就目前来看，在镁合金表面电沉积金属Al镀层是一种价格成本低廉、简单易操作、易于工业化并且优化效果非常明显的方案。由于Al的质量也很轻，并且可以在表面形成致密坚硬的氧化铝膜从而具备较佳的耐腐蚀性能，同时作为一种优异的表面镀层材料，铝镀层具有原料易得、无污染、导热导电性能好、耐氧化、对基体影响小等特点，能有效提高镁合金的耐蚀性能。应当指出的是，铝的析出电位比氢负，因此难以在水溶液中电沉积出来，因此需要采用非水溶液作为电解液。目前常见的非水电解液，主要包括有机溶剂、无机熔盐和离子液体。然而又因为有机溶剂的易燃易挥发性限制了它的应用，高温熔盐又往往会对基体材料造成不可逆的热损伤，综合来看，离子液体电沉积铝镀层是镁合金表面处理领域的一种高效实用且潜力巨大的工艺。

然而，由于现如今直接在镁合金表面电沉积铝镀层的工艺往往都是忽略了镁合金和铝镀层之间的电偶腐蚀，这很可能影响到铝镀层对镁合金基体的长期防护。由于镁的标准平衡电位为-2.37V(vs SHE)，低于铝的-1.67V(vs SHE)，理论上由于铝镀层具有更高的电位，因而可用作阴极性的保护层。然而，当铝镀层因为机械损伤等原因出现局部破损的时候，一旦镁合金基体有部分裸露在外，就会失去甚至颠覆这种保护作用。因为在受损的铝层和暴露的镁基体之间形成的微电偶影响下，铝缺陷镀层下的镁基材表面会出现严重的电偶腐蚀，并且电偶腐蚀过程中产生的氢气还会导致镀层的分层、甚至剥离。为了改善这个问题，提出可以构建多层复合镀层。一方面内层的加入可以用于消除对基体的电偶腐蚀，另一方面还可以作为锚点，提高与外层的结合强度。因此，本发明采用腐蚀电位比作为牺牲阳极的顶层铝镀层更为正的铜层，作为后续电镀铝及铝合金镀层的有效中间层。此外，为了使镀铜层在镁合金表面成功附着，同时避免由于前处理浸锌层太薄从而使一些细微的镁合金局部暴露于镀铜液中产生剧烈的置换反应(该反应可能会导致基材劣化，并导致镀层从基材上脱落)，本发明在浸锌之后、镀铜之前又添加了一个镀锌工艺，以确保镁合金完全被致密均匀的锌层所覆盖。同时，为了进一步提高铝涂层的物理和机械性能以及使用寿命，本发明添加少量锆(Zr)元素于离子液体镀铝体系从而成功形成性能更优的铝—锆合金镀层，最终形成的复合镀层中最外层的铝—锆合金可作为物理屏障有效地阻止腐蚀介质的扩散，且其腐蚀电位为-0.924V，负于铜层的-0.337V，使得顶层铝锆合金层在出现损伤时亦可以作为内层铜的牺牲保护，这显著地提高了镁合金表面镀层的强度、耐蚀性能和表面光泽度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种表面电镀Zn/Cu/Al-Zr三层复合镀层的镁合金优性能防护层及制备方法，所制备的镀层耐腐蚀性能好、表面致密且光泽、与基体的结合度高、对基体的影响也较小。

本发明提供一种镁合金表面高耐蚀性Zn/Cu/Al-Zr三层复合镀层，其特征之处在于：