尚天驰，吴海江，肖 雨，覃兵东，李传胜，彭宇涛

（邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳 422000）

超轻镁合金硅烷膜成膜工艺参数的正交优化

尚天驰，吴海江，肖 雨，覃兵东，李传胜，彭宇涛

（邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳 422000）

依据点滴试验结果，采用正交试验法研究了固化温度、固化时间、浸涂时间等成膜因素对LZ91镁锂合金表面KH-550硅烷膜耐蚀性能的影响，确定了最佳成膜工艺参数为：固化温度100℃、固化时间60min、浸涂时间90s；其中固化温度对硅烷膜耐蚀性能的影响最大，固化时间的影响次之，浸涂时间的影响最小。

LZ91镁锂合金；硅烷膜；正交试验；耐蚀性能

镁合金具有密度低、导电能力强、电磁屏蔽性能好、导热能力强、生物相容性好、减震性好等一系列优点，是目前最轻型的结构用金属材料，在航空航天、汽车制造、生物医学、信息家电等领域有着相当广泛的应用。尤其是镁锂合金的质量可媲美塑料壳体，而其强度、刚度更高，在空间飞行器的轻量化制造中具有十分巨大的潜力。不过镁锂合金的化学性质非常活泼，耐蚀性能较差，成为其发挥潜力的桎梏。提升镁锂合金的耐蚀能力行之有效的方法是进行表面涂层处理，常用的方法是铬酸盐钝化处理，但该工艺处理液中含有Cr6+，危害环境和人身体健康。随着人们环保意识的不断增强，如欧盟已颁布RoHS 2.0指令（2011/65/EU），全世界正逐步取消和禁止铬酸盐钝化工艺的使用。因此，研究镁锂合金表面环保型无铬钝化工艺容不得半点迟疑。

目前研究人员较多使用的处理方法主要有高锰酸盐转化、钼酸盐转化、锡酸盐转化、稀土金属盐转化等。然而这类转化处理工艺获得的转化膜随处理时间的延长，膜层厚度在增加的同时亦会产生开裂，耐蚀能力的提升空间有限。于是科研工作者逐渐把目光聚焦在有机物防护方面，其中硅烷化处理工艺无污染，能起到基体金属与后续有机涂层的桥梁，发展前景十分看好。因此，文章借助正交试验理念，通过简单化学浸渍法在镁锂合金表面制备了一层硅烷膜，分析了成膜工艺参数对硅烷膜耐蚀性能的影响，确定了最优成膜工艺参数。

1 试验材料与方法

试验基体材料选择由中国铝业郑州有色金属研究院有限公司轻金属材料研究所提供的挤压态LZ91（Mg-9Li-Zn）镁锂合金，在线切割机上加工成尺寸为15mm×15mm×15mm。样品采用360、800、1200、1500目水磨砂纸依次打磨→去离子水洗→放入丙酮溶液中超声波清洗10min除去油脂→在去离子水中超声波清洗 5min→碱洗活化（NaOH50g/L+Na2CO315g/L，60℃×15min）→去离子水洗，用电热吹风机吹干、放入干燥器中备用。

试验所用主要试剂为KH-550硅烷偶联剂（分析纯，南京联硅化工有限公司）、无水乙醇（分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司）、乙酸（分析纯，湖南汇虹试剂有限公司）、氨水（分析纯，湖南汇虹试剂有限公司）、丙酮（分析纯，湖南汇虹试剂有限公司）、氢氧化钠（分析纯，湖南汇虹试剂有限公司）、碳酸钠（分析纯，广东汕头市西陇化工厂）、高锰酸钾（分析纯，广东汕头市西陇化工厂）、浓硝酸（分析纯，广东汕头市西陇化工厂）；试验所用主要仪器设备为ZNCL-S型智能恒温磁力搅拌器（上海越众仪器设备有限公司）、KQ-50E型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）、HH.SY11-Ni 1-B型电热恒温水浴锅（北京长源实验设备厂）、P-2型金相试样抛光机（上海光相制样设备有限公司）、FA2004型电子分析天平（厦门仲鑫达自动化设备有限公司）、RO-50A-BX/AG型防渗透去离子纯水机（KFLOW科技有限公司）、ZK-82BB型电热真空干燥箱（上海市实验仪器总厂）。

硅烷溶液水解工艺参数为：KH-550/无水乙醇/去离子水=5/80/15（体积比）的混合溶液在pH=9的环境中于室温下水解2h。将预处理完毕放入干燥器中备用的镁锂合金试样浸入水解好的KH-550硅烷溶液中浸渍t1时间，立即取出用压缩氮气吹掉基体表面残留液体，置于电热真空干燥箱中在固化温度T和固化时间t2下加热固化成膜。根据正交试验设计方案，选定固化温度T、浸涂时间t1和固化时间t2等三个主要成膜影响因素，每个影响因素给定三个水平，不考虑各因素之间的交互作用，采用3因素3水平的正交表L9（33）进行正交试验，如表1所示。评价指标为试样的耐点滴腐蚀时间，点滴试验参照HB 5061-77航空工业行业标准，将0.05g高锰酸钾+5mL硝酸+95mL去离子水混合溶液滴至待测样品表面，记录点滴溶液由紫红色变为无色的时间，颜色转变时间的长短可以评估试样的耐蚀性能高低。

表1 L9（33）正交设计因素水平表

2 结果与讨论

（1）试验数据的直观分析。图1表明了3个主要成膜工艺参数与镁锂合金表面硅烷膜耐蚀性能之间的关系。借助正交试验的直观分析过程，可以确定影响硅烷膜成膜的主要因素和次要因素，如图2所示。从图2中可以看出，比较3个影响因素的极差值大小，固化温度这一影响因素的极差值最大，说明固化温度对硅烷膜耐蚀性能的影响最大，固化时间的影响次之，浸涂时间的影响最小。通过正交试验确定的最优成膜工艺参数为：A2B2C2，即固化温度100℃、浸涂时间90s、固化时间60min。

图1 成膜工艺参数与硅烷膜耐蚀性的关系

图2 各成膜因素对硅烷膜耐蚀性能影响的主次顺序图

（2）固化条件对硅烷膜耐蚀性能的影响。固化实质上是加快成膜的过程，由图1（a）和（c）显示出，随固化温度与固化时间的增加，镁锂合金表面硅烷膜的耐蚀能力展现出先上升而后降低的现象。这是因为在固化加热初始阶段，固化温度和固化时间均不足，致使硅烷膜不能够充分进行脱水缩聚，所得膜层结构较为多孔疏松，侵蚀性物质容易穿透膜层达到基体，表现出试样的抗点滴腐蚀时间较短；随着固化温度不断上升、固化时间持续增加，硅烷膜层中硅醇参与化学反应的能力愈来愈强，镁锂合金表面的羟基与硅醇、硅醇之间通过化学键充分缩合，在基体金属表面形成了致密稳定的三维空间网络结构，抗点滴腐蚀能力达到峰值；但当固化温度过高且固化时间过长时，破坏了KH550硅烷膜的交联状态，可能在镁锂合金基体与硅烷膜层之间出现了新的物相，造成硅烷膜的抗点滴腐蚀能力反而变差。

（3）浸涂时间对硅烷膜耐蚀性能的影响。图1（b）给出了浸涂时间对镁锂合金表面硅烷膜耐蚀性能的影响，呈现出先上升后下降的变化趋势，它在3个成膜因素中影响最小。由图1（b）可以看出，随浸涂时间的能力展现出先上升而后下降的现象。这主要是因为硅烷膜具有高度有序性、取向性，为单层分子膜，它在较短的时间内就能够在镁锂合金表面吸附成膜，增加浸涂时间对膜厚增加程度有限，很难进一步提升硅烷膜对基体的防护能力；反而浸涂时间过长，可能导致缩聚产物的吸附阻碍硅烷膜的继续成膜，削弱了硅烷膜的防护效果。

3 结语

（1）固化温度对硅烷膜耐蚀性能的影响最大，固化时间的影响次之，浸涂时间的影响最小。

（2）最优成膜工艺参数为：固化温度100℃、浸涂时90s、固化时间60min。

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Orthogonal Optimization of Film-forming Process Parameters of Silane film on LZ91 Magnesium Alloy

SHANG Tian-chi，WU Hai-jiang，XIAO Yu，QIN Bing-dong，LI CHUAN-sheng，PENG Yu-tao
（Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China）

The effect of factors in forming KH-550 silane film on LZ91D magnesium alloy on its properties were investigated by the orthogonal experiment design combined with drop test.Effects of curing temperature，curing time and immersion time on the properties of silane film were discussed.The silane film had the optimal corrosion resistance when curing temperature was 100℃，curing time was 60 min and immersion time was 90 s.The curing temperature had the greatest influence on the corrosion resistance of silane film，the curing time was the second and the immersion was the weakest.

LZ91 Mg-Li alloy；silane film；orthogonal experiments；anti-corrosion

TG174.4

A

2095-980X（2017）02-0050-02

2017-02-07

湖南省自然科学基金资助项目（2015JJ2064）；湖南省教育厅资助科研项目（15B213）；邵阳市科技计划项目（2016FJ07）；湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目（湘教通［2016］283号）

尚天驰（1994-），男，黑龙江伊春人，大学本科，主要从事金属材料腐蚀与防护研究工作。

吴海江（1975-），男，安徽淮南人，博士，副教授，主要从事金属材料腐蚀与防护研究工作。