1.化學(xué)轉(zhuǎn)化

    鎂合金與轉(zhuǎn)化液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一層保護性鈍化膜的處理技術(shù)稱為化學(xué)轉(zhuǎn)化法。化學(xué)轉(zhuǎn)化是一種比較成熟的表面處理工藝，國內(nèi)航天航空、軍工企業(yè)在20世紀60 年代就已應(yīng)用。按照轉(zhuǎn)化液的不同，生成的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜分為：鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜、磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜、錫酸鹽轉(zhuǎn)化膜、高錳酸鹽轉(zhuǎn)化膜、植酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、稀土金屬鹽轉(zhuǎn)化膜、鎢酸鹽轉(zhuǎn)化膜、氟鋯酸鹽轉(zhuǎn)化膜、鉬酸鹽轉(zhuǎn)化膜等。化學(xué)轉(zhuǎn)化方法的主要特點是設(shè)備簡單、成本低，適應(yīng)于構(gòu)復(fù)雜件及大件的處理，但是化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層薄（0.5～3μm）且為多孔結(jié)構(gòu)，對鎂基體保護有限，現(xiàn)多用于零件制備過程中的工序間防護和涂裝前處理。由于部分轉(zhuǎn)化液有毒會對環(huán)境造成污染，國際上已經(jīng)開始禁止使用相應(yīng)的化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝，因此，其未來的發(fā)展方向是綠色環(huán)保的化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)。

    2.陽極氧化

    利用電解作用在金屬表面成膜的過程稱為陽極氧化，陽極氧化膜為多孔雙層結(jié)構(gòu)，較厚的多孔層為外層，較薄的致密層為內(nèi)層，膜層的成分由合金元素的氧化物和沉積的氧化物共同組成。氧化膜的厚度為10～40μm左右。陽極氧化膜空隙大、無規(guī)則、分布不均勻，如果不進行封閉，耐蝕性非常差，因此，需進行后續(xù)的封孔處理，使其既美觀又耐蝕。

    早期的陽極氧化處理是含鉻的有毒化合物處理液，代表性的工藝有Dow17。后逐漸發(fā)展了以磷酸鹽、高錳酸鹽、可溶性硅酸鹽、硫酸鹽、氫氧化物和氟化物為電解液的陽極氧化工藝，如較有名的HAE工藝。傳統(tǒng)的HAE工藝獲得膜層的耐腐蝕等級為8級。戎志丹等，研究了一種新型無鉻環(huán)保型鎂合金陽極氧化配方及工藝，其研究結(jié)果表明，氧化膜主要由MgO和MgAl O 組成，陽極氧化新工藝所獲得的膜層的耐腐蝕等級為9級。

    陽極氧化膜的厚度、強度、耐蝕性及耐磨性都比化學(xué)轉(zhuǎn)化膜好，因此，經(jīng)封閉處理后可以作為中等腐蝕環(huán)境條件下的防護層。但由于膜層孔隙較大、分布不均勻，一般也作為涂裝底層。

    3.微弧氧化

    微弧氧化又叫等離子體微弧氧化，是在陽極氧化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在金屬表面原位生長陶瓷層的一種表面處理技術(shù)。微弧氧化的生成陶瓷膜層的過程一般為：將Al、Mg、Ti及Zr等輕金屬或其合金置于電解質(zhì)溶液中，當施加在電極兩端的電壓達到臨界值時，工作電極表面會出現(xiàn)電暈、輝光、火花放電及弧放電等現(xiàn)象，這種微區(qū)放電現(xiàn)象在工作電極表面不同的位置不斷間歇重復(fù)出現(xiàn)，表金屬面生成的氧化膜被擊穿，瞬間溫度可達2000℃，氧化膜在高溫高壓作用下熔融，等離子弧消失以后，熔融物急速冷卻形成陶瓷層。微弧氧化膜層的生長是一個“成膜—擊穿—熔化—燒結(jié)—再成膜”的多次循環(huán)過程。微弧氧化裝置的基本構(gòu)成如下圖所示。

    鎂合金微弧氧化形成的膜層主要分為過渡層、致密層、疏松層。疏松層是由很硬的、孔隙較大的物質(zhì)組成，表面疏松且粗糙，易打磨掉。致密層是微弧氧化層的主體，約占氧化層總厚度的60% ～70%，該層致密、孔隙小，每個孔隙的直徑約為幾微米，孔隙率在5%以下，主要是鎂的氧化物，硬度高且耐磨。過渡層為界面層，是微弧氧化膜層與基體的交界處。過渡層凹凸不平，與基體相互滲透，使微弧氧化膜層與基體結(jié)合牢固，屬典型的冶金結(jié)合。

    當微弧氧化基體材料選定時，微弧氧化膜層的厚度與形貌主要受到電解液體系、電源類型、工作模式、電參數(shù)等的影響。與化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽極氧化技術(shù)相比，鎂合金微弧氧化制備的膜層厚度可控，耐蝕性和耐磨性也更優(yōu)異，該方法已被證明是提高鎂合金的耐蝕和耐磨性能的有效途徑，但微弧氧化膜層表面的微孔隙是限制耐蝕性提高的主要因素，需采用有效的封孔技術(shù)才能大幅度提高鎂合金的耐蝕性能。

    4.離子注入

    離子注入是在高真空狀態(tài)下，在十至數(shù)百千伏電壓的靜電場作用下，經(jīng)加速的高能離子以高速沖擊鎂材表面，離子被嵌入并在基體的間隙位置被中和形成固溶體，從而改變基體的表面性能（硬度、抗疲勞性、耐蝕性）。注入的元素主要有N、O、Ti、Al 和Zn 等。耐蝕性的提高與注入離子的種類、注入的離子量以及“注入影響區(qū)”范圍有關(guān)。離子注入使鎂合金表面的組織和成分發(fā)生變化，相當于生成一種新的合金表面，保證了與基體的整體性，解決了其他方法生成的膜層與基體結(jié)合力的問題。但離子注入改性層的厚度一般較薄（50～500nm），往往無法滿足所需要的表面性能。離子注入工藝過程中為高溫環(huán)境，會影響基體的力學(xué)性能，注入過程要氣體保護，成本高。

    5.激光表面改性

    激光表面改性技術(shù)是通過激光等高能束流使基體表面預(yù)先涂覆的膜層和部分基體熔化，或者在表面熔化的同時注入某些粉末，膜層或表面在熔池中液態(tài)混合后發(fā)生快速凝固，從而在表面形成耐蝕性較好的合金薄層。按照激光與基體作用時的功率密度、作用時間及方式不同，激光表面改性一般可分為：激光表面熔凝處理、激光表面合金化和激光表面熔覆。相關(guān)研究表明，激光表面改性能夠提高鎂合金表面的耐蝕性。

    激光熔覆裝置構(gòu)成

    激光表面改性技術(shù)的特點為：激光作用在基體表面能量集中，加熱快，冷速大，對基體的熱影響小，工件處理后的變形小，容易實現(xiàn)自動控制。受激光束作用于工件的方式限制，激光不一定覆蓋工件所有表面，所以該方法不適用處理復(fù)雜形狀的零件。由于所需設(shè)備昂貴，該技術(shù)不宜進行大面積處理。鎂合金激光表面改性技術(shù)還不成熟，工業(yè)應(yīng)用較少。陳長軍等采用激光多層熔敷的方法為相關(guān)軍工廠修復(fù)了ZM2、ZM5和ZM6鎂合金成品件上的腐蝕坑、疏松等缺陷。

    6.有機涂裝

    該方法是通過在鎂合金表面噴涂有機涂層將基體與腐蝕介質(zhì)隔絕已達到耐腐蝕的目的。噴涂有機涂層可以直接用于鎂合金表面防護，但更多是與其他表面處理方法聯(lián)合使用，作為最外層的防護層來提高工件的耐蝕性。

    常用的有機涂層材料為：環(huán)氧樹脂、乙烯樹脂、聚氨酯等。工業(yè)部門常常采用在工件表面涂油、涂漆的方式進行防腐。有機涂層具有品種和顏色多樣、適應(yīng)性廣、成本低及工藝簡單的優(yōu)點。

    有機涂層還有一類粉末型的，其具有無溶劑、污染、厚度均勻及較好的耐蝕性等特點，近年來在汽車和電腦外殼等鎂合金零部件上的廣泛應(yīng)用。但是，粉末型涂層要求加熱固化成膜溫度較高，會影響到基體性能。

    7.金屬及化合物涂層

    金屬涂層主要是采用電鍍和化學(xué)鍍的方法在鎂合金基體表面涂覆一層金屬涂層。鎂合金具有高的反應(yīng)活性，屬于難電鍍材料，雖然鎂合金電鍍方法在不斷發(fā)展完善，但是工業(yè)界的應(yīng)用很少。化學(xué)鍍工藝較為成熟，鎂合金化學(xué)鍍應(yīng)用最廣的為化學(xué)鍍鎳，其是通過自催化還原反應(yīng)沉積Ni-P或Ni-B合金鍍層的工藝。鎂合金化學(xué)鍍鎳分為沉鋅法和直接化學(xué)鍍鎳。鎂合金化學(xué)鍍鎳工藝目前已用于實際生產(chǎn)。經(jīng)過化學(xué)鍍鎳得到鍍層為規(guī)則、均勻、致密的球形結(jié)點結(jié)構(gòu)，且胞體具有明顯的界限，鍍層厚度均勻，具有較高的硬度和耐磨性，耐蝕性能優(yōu)良。鎂合金電鍍、化學(xué)鍍的缺點是前處理中的Cr、F 及鍍液對環(huán)境污染嚴重；鍍層中含有重金屬元素，增加了回收的難度與成本。

    除電鍍、化學(xué)鍍方法外，還有學(xué)者研究熱擴散和熱噴涂鋁的方法，在鎂合金表面形成鎂鋁化合物的擴散層，從而提高工件表面的耐蝕性和耐磨性。但是，熱擴散和熱噴涂工藝中均存在高溫保溫過程，因此有可能會影響基體力學(xué)性能以及導(dǎo)致零件變形。冷噴涂是相對較新的一種噴涂技術(shù)，它是利用高速壓縮氣體將金屬或者陶瓷粉末加速后噴涂到基材表面，通過金屬粉末塑性變形形成致密的涂層。與傳統(tǒng)的熱噴涂相比，冷噴涂工藝過程溫度低，非常適合鎂合金等易氧化或?qū)彷^敏感的基材，冷噴涂鋁合金等在鎂合金耐蝕防護領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

    利用氣相沉積方法也可獲得一定耐蝕性的金屬及化合物膜層。氣相沉積分為物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）。氣相沉積膜層是在等離子體條件下獲得的，沉積層被電離、激發(fā)為活性粒子，使得沉積層的組織細密、結(jié)合良好。目前已通過PVD等技術(shù)在鎂合金表面制備出TiN、AlN、CrN以及Al O 等化合物涂層。但制備的化合物涂層的致密度不夠，存在空隙，因此PVD方法制備化合物涂層的耐蝕性還需進一步解決。德國學(xué)者采用CVD技術(shù)在鎂合金表面沉積鋁膜，所獲得的膜層具有良好的耐蝕性。

    氣相沉積原理圖

    8.溶膠-凝膠法

    溶膠-凝膠法制備涂層過程主要是以金屬有機/無機化合物或兩者混合物的液體化學(xué)試劑（或固體粉末溶于溶劑形成的溶液）為前軀體，在液相下均勻混合，經(jīng)過水解、縮聚等化學(xué)反應(yīng)過程，反應(yīng)生成物聚集成1～9 nm 左右的粒子并逐步形成穩(wěn)定的溶膠體系。以溶膠為原料對鎂合金基材進行涂覆處理，溶膠膜逐漸凝膠化形成以前軀體為骨架的三維或顆粒空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過干燥處理后脫去吸附水及化學(xué)結(jié)合水等溶劑而成為多孔結(jié)構(gòu)的干凝膠膜，最后在一定溫度下進行燒結(jié)熱處理消除干凝膠中存在的氣孔即得到所需的涂層。

    二氧化硅溶膠

    溶膠-凝膠法具有設(shè)備簡單，工藝過程溫度低，可以大面積在不同形狀、不同組分的鎂基底上制備薄膜，并且能有效控制薄膜的成分和微觀結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外學(xué)者在利用溶膠-凝膠技術(shù)實現(xiàn)對鎂合金防護方面取得了一定的進展，研究和開發(fā)了多種有機/無機雜化涂層、還有緩釋因子的雜化涂層、雜化涂層與化學(xué)轉(zhuǎn)化、電化學(xué)氧化、微弧氧化相結(jié)合的復(fù)合涂層等一系列防護涂層，有效提高了鎂合金的耐蝕性。這些涂層體系中與其他表面處理方法相結(jié)合的涂層對基體的附著能力表現(xiàn)優(yōu)異，含緩蝕因子的雜化涂層具備自修復(fù)能力，而單一的溶膠-凝膠涂層更容易出現(xiàn)溶脹和破壞，不具備長期抗蝕性。另外，除了開發(fā)長效耐腐蝕涂層外，還應(yīng)充分考慮環(huán)境、工藝成本、操作工藝等問題。

    結(jié)束語

    經(jīng)過上面的介紹，相信大家對鎂合金表面處理技術(shù)有了一個比較初步的了解。化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽極氧化、微弧氧化、化學(xué)鍍鎳、有機涂裝相對來說技術(shù)成熟，已經(jīng)在實際生產(chǎn)中應(yīng)用。激光表面改性、氣相沉積、溶膠-凝膠法等應(yīng)用在鎂合金防腐還處在研究階段，進一步實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用還有若干問題需要解決。在眾多的表面處理方法中，似乎沒有那個方法是“完美”的，都或多或少的存在一定的問題。在實際應(yīng)用中，設(shè)計師往往根據(jù)鎂合金零件的使用環(huán)境和要求，采用多種表面防護方法相結(jié)合。相信隨著鎂合金應(yīng)用的增多，鎂合金表面處理方法會繼續(xù)得到發(fā)展，但不論是那種方法，要想實現(xiàn)真正的工業(yè)應(yīng)用，除了具備優(yōu)良的防腐性能外，還應(yīng)考慮生產(chǎn)效率、工藝成本、設(shè)備工藝的復(fù)雜程度、操作工藝性、對基體性能的影響以及對環(huán)境的影響等因素。