关于SHF-2D环氧底漆在经脉冲激光改性处理的AZ31B镁合金表面（并涂覆磷酸盐转化涂层）的耐腐蚀性能提升的研究

《Surfaces and Interfaces》：Research on the Corrosion Resistance Enhancement of SHF-2D Epoxy Primer on Pulsed Laser Modified AZ31B Magnesium Alloy with a Phosphate Conversion Coating

　　

郭一航|戴凤泽|黄舒|徐家乐|霍坤

江苏大学机械工程学院，镇江212013，中华人民共和国

摘要

为了提高磷酸盐处理后的AZ31B镁合金表面上环氧底漆的耐腐蚀性，采用了纳秒脉冲激光来改性基于锰的磷酸盐转化涂层（PCC）。对单层PCC的改性效果研究表明，脉冲激光照射使涂层从松散的水合物重构为致密的无水氧化物，显著增强了涂层与镁基材的附着力（划切试验中的剥离率从34.39%降低到8.82%）。同时，改性后涂层的亲水性也显著提高（水接触角降至11.0°），为后续底漆的应用创造了理想的界面结合层。随后，涂覆了环氧底漆形成多层涂层系统，并对其整体性能进行了评估。电化学动力学分析表明，与未经处理的多层系统相比，激光改性的多层系统的开路电位和腐蚀电位分别正向移动了114 mV和141 mV，腐蚀电流密度降低了大约两个数量级。阻抗分析进一步证实，激光改性的底层显著增强了整个涂层系统的界面稳定性。通过120小时的中性盐雾测试验证，激光改性的多层涂层系统表面没有出现起泡或剥离等失效现象。相比之下，未经处理的多层涂层控制系统出现了严重的涂层分层。这项研究证明，脉冲激光照射通过消除磷酸盐涂层的多孔缺陷、增强其与基材的结合力，从而为环氧底漆提供了更稳定的基础，最终提高了整体的几何屏蔽效果。

引言

镁合金作为最轻的金属结构材料，由于其低密度、高比强度和优异的电磁屏蔽性能，在电子、汽车和航空航天工业中得到了广泛应用[[1], [2], [3]]。然而，镁的高化学反应性使其在含有氯离子（Cl^-）的潮湿环境中极易发生严重腐蚀，这限制了其更广泛的应用[4]。鉴于镁合金在新能源汽车和机器人技术等领域的潜在应用前景，对其表面保护的研究受到了广泛关注。因此，开发高效可靠的表面保护技术对于充分发挥其结构性能优势并利用其丰富的储量至关重要。

在现有研究中，人们致力于开发镁合金与保护涂层之间的界面结合技术，主要包括铬酸盐转化涂层、磷酸盐转化涂层、阳极氧化和离子注入[[5], [6], [7]]。其中，磷酸盐转化涂层被认为是镁合金最重要的表面预处理方法，因为它环保、成本低、效率高，并且能够在复杂形状的部件上形成涂层[8]。Kouisni等人[9]使用锌基磷酸盐溶液处理了AM60镁合金，通过引入Zn²⁺和F^-离子，生成了主要由羟基磷灰石（Zn₃(PO₄)₂·4H₂O）组成的化学转化涂层，显著提高了基材的耐腐蚀性。Cui等人[10]开发了一种双层基于锰的磷酸盐转化涂层，其耐腐蚀性接近甚至优于铬酸盐转化涂层。磷酸盐转化涂层可以作为有机涂层的有效基底，增强界面附着力[11,12]。Jayaraj等人[13]制备了一种复合结构，以磷酸盐预涂层作为底层，球形聚合物颗粒作为顶层，有效解决了附着力差和腐蚀速率高的问题。然而，在镁合金的磷酸盐处理过程中，生成的磷酸盐转化涂层通常具有松散和多孔的微观结构。这种结构缺陷主要是由于镁基材上的剧烈氢气释放反应以及磷酸盐晶体的快速、不均匀成核和生长所致。多孔结构严重削弱了涂层的附着力，降低了界面处的机械互锁和化学结合。此外，固有的微孔和裂纹成为腐蚀性物质的渗透通道，从而严重降低了镁合金的整体耐腐蚀性[14]。

近年来，研究人员开始探索利用激光技术来改善材料表面性能。在这一背景下，脉冲激光表面改性技术作为一种先进的非接触加工方法，展现了独特的优势[[15], [16], [17]]。通过使用高能脉冲激光在基材表面构建微纳结构，该技术可以调节表面粗糙度，从而促进与涂层的直接结合或增强有机涂层的附着力，最终提高耐腐蚀性。不同激光参数引起的微纳结构差异将显著影响表面形态及其与涂层的结合强度[18]。

本文提出使用纳秒脉冲激光改性AZ31B镁合金上的磷酸盐转化涂层，旨在通过构建微纳结构来解决与环氧底漆的附着力不足问题，从而提高最终涂层系统的耐腐蚀性。

章节片段

材料制备

AZ31B镁合金样品经过热轧后，被切割成10 mm × 10 mm × 3 mm的尺寸。其化学成分见表1。样品表面依次使用150至1500目的金相砂纸打磨，然后用W2.5 μm的金相抛光剂和抛光布进行抛光。随后在60°C的50 g/L碱性NaOH溶液中脱脂15分钟，然后用流动的去离子水冲洗以去除

磷酸盐转化涂层分析

如图1和图2所示，展示了在90°C恒温下不同磷酸盐处理时间（10分钟、20分钟、30分钟、40分钟）制备的AZ31B镁合金基材上的磷酸盐转化涂层的SEM表面显微图和EDS元素分析结果。

经过10分钟的磷酸盐处理后，如图1(a)和图2(a)所示，样品表面形成了大量的晶体颗粒，但覆盖度仍然不完整。许多微裂纹出现

激光诱导的相重构和界面结合机制分析

纳秒脉冲激光对磷酸盐转化涂层（PCC）的改性是一个由能量密度驱动的超快光热过程。如图14所示的示意图模型，激光束与涂层表面之间的物理相互作用引发了复杂的微观演变，这一改性层的形成可以进一步细分为几个连续步骤。首先，在能量吸收和超快加热阶段，高能激光脉冲

结论

本研究系统地研究了纳秒脉冲激光改性对AZ31B镁合金磷酸盐处理表面环氧底漆保护性能的影响。主要结论如下：

1.

脉冲激光通过超快光热效应成功地将松散的水合磷酸盐膜原位重构为致密的无水氧化物层。在最佳扫描速度50 mm/s时，形成了均匀的球形颗粒结构

CRediT作者贡献声明

郭一航：撰写 - 原稿撰写、实验研究、数据分析、数据管理、撰写 - 审稿与编辑。戴凤泽：撰写 - 审稿与编辑、资源获取、项目监督、方法论设计、资金申请。黄舒：方法论设计、数据分析、资金申请。徐家乐：方法论设计、资金申请。霍坤：方法论设计、数据管理。

数据可用性

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郭一航：撰写 – 审稿与编辑、原稿撰写、实验研究、数据分析。戴凤泽：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、项目监督、方法论设计、资金申请。黄舒：方法论设计、资金申请。徐家乐：方法论设计、资金申请。霍坤：方法论设计、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（52375186）、内蒙古自治区科学技术计划项目（2025YFHH0104）、青年教师科研创新能力支持项目（ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-D5）以及常州市科技计划（CJ20241007）的支持。