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镁合金表面冷喷涂技术及涂层性能的研究

刘彦学  
【摘要】: 镁合金易氧化、不耐磨等是其应用受到制约的主要原因之一。目前解决该问题的方法是在其表面形成保护层,例如:微弧氧化膜,各类化学镀层等,但这类方法均存在保护层薄、耐磨性差等问题。热喷涂技术也可以在镁合金表面形成保护层,有效地提高镁合金表面的耐磨性,也能提高耐腐蚀性。但是,热喷涂过程中存在的高温,易造成镁合金与涂层界面的氧化问题,涂层也缺乏致密性等,限制了热喷涂技术的应用。冷喷涂技术是在较低温度下形成涂层的一项新技术,可以避免喷涂过程中的镁合金氧化,且涂层产生的是压应力,涂层结合强度高,致密性强。因此,冷喷涂技术是解决镁合金表面易腐蚀、不耐磨问题的可选择技术。为此,本文针对镁合金表面的冷喷涂技术开展了研究工作,旨在开发该技术并为实际应用奠定技术基础。本文研究工作主要包括以下内容: 首先,设计了Zn-Al和Al-Si-Fe两个用于冷喷涂的系列合金,目的是在镁合金表面建立防腐和耐磨涂层,同时,也在改善镁合金表面耐热性方面发挥作用。合金粉末采用超音速气体雾化技术制备。粉末特征和粒度分布分析表明,粉末形状多为球形或近球形,粒度分布比较集中,小于400目的粉末占80%以上,适合于冷喷涂工艺。 建立了冷喷涂过程中,喷嘴内气体和气固两相流流动的物理和数学模型,利用计算软件模拟了气体压力分布和气体、粉末在喷嘴内的流动速度。通过模拟结果分析发现,传统喷嘴结构存在进一步改进的可能性。为了提高喷涂效率,根据喷嘴内气体和粉末的流动机理,以及动力学原理,对喷嘴结构进行了进一步的优化设计。通过增加出口管面积和出口管锥角的方式,设计了新的喷嘴结构。通过模拟计算,新结构的喷嘴可以提高气体和粉末的加速效果,喷出速度得到一定程度的提高。定点喷涂试验结果表明,采用新结构的喷嘴,可以使喷涂粉末的利用率提高10%以上。 系统地试验研究了Zn-Al和Al-Si-Fe合金粉末冷喷涂工艺,确定了适合两类合金粉末的冷喷涂工艺参数。分析了喷涂层组织特点和涂层合金元素扩散规律。发现镁合金表面冷喷涂Zn-Al和Al-Si-Fe合金粉末存在着适宜的工艺参数。Al-Si-Fe合金粉末合适的喷涂工艺参数为:喷涂气体压力为2.1MPa,喷涂气体温度为550℃,喷涂距离35mm;ZA20合金粉末喷涂气体压力2.15MPa,喷涂气体温度300℃,喷涂距离40mm;ZA27合金粉末喷涂气体压力2.1MPa,喷涂气体温度330℃,喷涂距离20mm。涂层组织保持快速凝固的组织特征,涂层内部组织致密,涂层与基体间是机械结合。经热处理后,涂层更加致密、均匀,涂层和基体中均发生合金元素的互扩散现象,基体向涂层方向的扩散量要大于涂层向基体方向的扩散量;随着温度的提高和时间的延长,基体和涂层之间的扩散程度提高,但是当温度提高到300℃,时间延长到3h后,其扩散层变化微小。经扩散处理后,涂层与基体的结合方式由机械结合变为冶金结合,结合强度得到提高。 在中性盐雾腐蚀和电化学腐蚀中,Zn-Al和Al-Si-Fe合金冷喷涂层均表现出良好的耐腐蚀性能。ZA20合金涂层及ZA27合金涂层的耐蚀性能均好于AZ91D镁合金基体。ZA20合金的腐蚀失重量约为AZ91D镁合金的0.055倍,ZA27腐蚀失重量约为AZ91D镁合金的0.072倍。AZ91D镁合金的自腐蚀电位为-1.7V左右,ZA27合金冷喷涂涂层自腐蚀电位为—0.2V左右,Al-Si-Fe合金冷喷涂层的自腐蚀电位为—1V左右,远高于基体合金,且冷喷涂层的极化曲线中出现明显的钝化区间,因而它能很好地保护基体,提高基体的耐蚀性。冷喷涂层和AZ91D镁合金具有不同的腐蚀机制,ZA27合金冷喷涂层发生了轻微的均匀腐蚀,而AZ91D镁合金发生了严重的局部腐蚀,冷喷涂层的均匀腐蚀危险性要远小于AZ91D镁合金的局部腐蚀。Al-Si-Fe合金冷喷涂层也存在局部腐蚀,但腐蚀程度较轻。 磨损试验表明,涂层的耐磨性远远高于镁合金的耐磨性。在润滑条件下AZ91D镁合金的磨损失重量约为ZA20合金的5.92倍,是ZA27合金涂层的11倍;AZ91D镁合金厚度磨损减少量约为ZA20合金涂层的1.88倍,是ZA27合金涂层的2.2倍。在干磨损条件下,当磨损时间为50min时,ZA27合金涂层的磨损失重仅是固态挤压AZ91D镁合金的16%。


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