AZ91D鎂基體上冷噴涂Al及Al-Mg17Al12復(fù)合涂層的研究.pdf

1、鎂及鎂合金是目前已經(jīng)得到應(yīng)用的密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、交通運(yùn)輸、電子通訊和國防軍工等領(lǐng)域已有多年的應(yīng)用。但是鎂的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，不僅能和很多氣體發(fā)生反應(yīng)，而且和其它工程用金屬材料相比具有較低的電極電位，同時(shí)使用時(shí)將首先被腐蝕。提高鎂合金表面耐腐蝕性能的方法很多，其中使用涂層把鎂合金和外部介質(zhì)隔絕開來無疑是比較經(jīng)濟(jì)，也是比較容易實(shí)現(xiàn)的方法。
　　 考慮到鎂合金的特殊性質(zhì)，本文選用Al作為涂層的主要材料，有以下兩個(gè)原因

2、，首先，Al表面暴露在空氣中能夠形成致密的氧化物薄膜，可以有效阻止Al的進(jìn)一步腐蝕，具有自修復(fù)功能;另外，在經(jīng)常用到的金屬材料中，Al和Mg的電極電位相差較小，它們之間一般不會(huì)形成嚴(yán)重的電偶腐蝕或者點(diǎn)蝕。在鎂基體上制備Al涂層的方法很多，如電鍍和化學(xué)鍍、等離子噴涂、激光熔覆、熱噴涂、氣相沉積等等，但這些傳統(tǒng)的制備方法都存在一些弊端，如耗能太高、沉積效率太低、或者制備過程存在嚴(yán)重污染等。同時(shí)值得注意的是Al化學(xué)性質(zhì)比較活潑，采用高溫?zé)嵩矗?/p>

3、如熱噴涂和激光熔覆等）容易導(dǎo)致Al粒子的氧化或者其內(nèi)部晶粒的長大，從而惡化涂層的整體性能。在這種情況下，使用冷噴涂技術(shù)沉積Al涂層，制備的涂層不僅可以保留原材料粉末粒子的顯微形貌，而且能夠有效減少甚至避免由于高溫而導(dǎo)致的各種缺陷。
　　 本文在AZ91D鎂合金基體上采用冷噴涂技術(shù)沉積了純Al涂層、Al復(fù)合涂層和Al梯度涂層，并且以此為研究對象考察了熱處理對純Al涂層/Mg基體界面擴(kuò)散形成的金屬間化合物的影響，以及強(qiáng)化相粉末粒子在

4、原材料粉末中的含量對復(fù)合涂層性能的影響等等，重點(diǎn)探討了涂層組織和性能之間的關(guān)系。本文綜合運(yùn)用了多種材料研究方法，包括光學(xué)金相分析、X射線衍射分析、ICP成分分析、掃描和透射電子顯微分析、顯微硬度分析、涂層孔隙率和結(jié)合強(qiáng)度分析等等，系統(tǒng)地開展了原材料粉末制備、噴涂過程使用參數(shù)、涂層后續(xù)熱處理等對涂層力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響，旨在為提高鎂合金表面耐蝕性提供一種新的思路和必要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　 由于使用的純Al粉末粒子的平均粒子直徑

5、較大(58.5μm)，并且具有較寬的粒徑分布。為了提高涂層的整體性能，根據(jù)得到涂層的厚度和孔隙率含量為依據(jù)，對涂層制備工藝中的主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，表明在使用He作為工作氣體和載氣，同時(shí)使用耐高溫塑料噴槍的情況下，工作氣體的溫度為300℃，壓力為0.98MPa，噴槍出口到基體表面的距離為10mm，其相對移動(dòng)速度為2mm/s時(shí)，通過1個(gè)道次的沉積，即可在鎂基體上沉積得到約400μm的涂層，并且其孔隙率含量低于0.5 vol.％。對涂層進(jìn)行的

6、后續(xù)熱處理表明，由于鎂基體與鋁涂層之間的原子互擴(kuò)散導(dǎo)致在界面附近生成了兩種金屬間化合物，使得涂層與基體的結(jié)合方式由物理的機(jī)械咬合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合。但是擴(kuò)散生成的金屬間化合物硬度很高，塑性很差，在剪切應(yīng)力的作用下，很容易發(fā)生脆性斷裂，反而惡化了涂層的結(jié)合強(qiáng)度。雖然得到的Al涂層比較致密，具有較好的耐腐蝕性能，但是涂層內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度較低。
　　 為了提高純Al涂層的結(jié)合強(qiáng)度，在原材料純Al粉末中加入了球形金屬間化合物粉末Mg17Al1

7、2，并使用不銹鋼噴槍對混合粉末進(jìn)行了沉積，得到了Al基復(fù)合涂層，同時(shí)研究了原材料粉末中不同含量(50 vol.％和75vol.％)的Mg17Al12對涂層性能的影響。結(jié)果表明，強(qiáng)化相粉末的加入不僅能夠顯著提高金屬Al粉末的沉積效率，有效改善涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，而且不會(huì)惡化涂層的耐腐蝕能力。涂層比較致密，同時(shí)在基體上沒有發(fā)現(xiàn)Mg17Al12粒子，結(jié)合其它研究結(jié)果，可以看出球形強(qiáng)化相粒子的作用為去除基體和粒子表面的氧化物和污染物、提高基體

8、表面的粗糙度以增大涂層與基體的接觸面積、改善金屬Al粉末的沉積效率、夯實(shí)已經(jīng)發(fā)生粘接的粉末粒子以及清洗不銹鋼噴槍內(nèi)壁。
　　 用冷噴涂逐層沉積的方法在鎂基體表面沉積了兩種Al-Mg17Al12梯度涂層，并觀察了涂層的顯微形貌，結(jié)果顯示涂層和基體在界面處結(jié)合較好，沒有明顯的缺陷;成分不同的層與層之間的界面也無法分辨，表明梯度涂層整體具有較好的結(jié)合強(qiáng)度，沒有出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。其主要原因是Mg17Al12粒子在涂層中的含量很低。涂層