AZ91D镁基体上冷喷涂Al及Al-Mg_(17)Al_(12)复合涂层的研究

【摘要】：镁及镁合金是目前已经得到应用的密度最小的金属结构材料，在航空航天、交通运输、电子通讯和国防军工等领域已有多年的应用。但是镁的化学性质非常活泼，不仅能和很多气体发生反应，而且和其它工程用金属材料相比具有较低的电极电位，同时使用时将首先被腐蚀。提高镁合金表面耐腐蚀性能的方法很多，其中使用涂层把镁合金和外部介质隔绝开来无疑是比较经济，也是比较容易实现的方法。 考虑到镁合金的特殊性质，本文选用Al作为涂层的主要材料，有以下两个原因，首先，Al表面暴露在空气中能够形成致密的氧化物薄膜，可以有效阻止Al的进一步腐蚀，具有自修复功能；另外，在经常用到的金属材料中，Al和Mg的电极电位相差较小，它们之间一般不会形成严重的电偶腐蚀或者点蚀。在镁基体上制备Al涂层的方法很多，如电镀和化学镀、等离子喷涂、激光熔覆、热喷涂、气相沉积等等，但这些传统的制备方法都存在一些弊端，如耗能太高、沉积效率太低、或者制备过程存在严重污染等。同时值得注意的是Al化学性质比较活泼，采用高温热源(如热喷涂和激光熔覆等)容易导致Al粒子的氧化或者其内部晶粒的长大，从而恶化涂层的整体性能。在这种情况下，使用冷喷涂技术沉积Al涂层，制备的涂层不仅可以保留原材料粉末粒子的显微形貌，而且能够有效减少甚至避免由于高温而导致的各种缺陷。 本文在AZ91D镁合金基体上采用冷喷涂技术沉积了纯Al涂层、Al复合涂层和Al梯度涂层，并且以此为研究对象考察了热处理对纯Al涂层/Mg基体界面扩散形成的金属间化合物的影响，以及强化相粉末粒子在原材料粉末中的含量对复合涂层性能的影响等等，重点探讨了涂层组织和性能之间的关系。本文综合运用了多种材料研究方法，包括光学金相分析、X射线衍射分析、ICP成分分析、扫描和透射电子显微分析、显微硬度分析、涂层孔隙率和结合强度分析等等，系统地开展了原材料粉末制备、喷涂过程使用参数、涂层后续热处理等对涂层力学性能和耐腐蚀性能的影响，旨在为提高镁合金表面耐蚀性提供一种新的思路和必要的实验依据。 由于使用的纯Al粉末粒子的平均粒子直径较大(58.5μm)，并且具有较宽的粒径分布。为了提高涂层的整体性能，根据得到涂层的厚度和孔隙率含量为依据，对涂层制备工艺中的主要参数进行了优化，表明在使用He作为工作气体和载气，同时使用耐高温塑料喷枪的情况下，工作气体的温度为300°C，压力为0.98MPa，喷枪出口到基体表面的距离为10mm，其相对移动速度为2mm/s时，通过1个道次的沉积，即可在镁基体上沉积得到约400μm的涂层，并且其孔隙率含量低于0.5vol.%。对涂层进行的后续热处理表明，由于镁基体与铝涂层之间的原子互扩散导致在界面附近生成了两种金属间化合物，使得涂层与基体的结合方式由物理的机械咬合转变为冶金结合。但是扩散生成的金属间化合物硬度很高，塑性很差，在剪切应力的作用下，很容易发生脆性断裂，反而恶化了涂层的结合强度。虽然得到的Al涂层比较致密，具有较好的耐腐蚀性能，但是涂层内部的结合强度较低。 为了提高纯Al涂层的结合强度，在原材料纯Al粉末中加入了球形金属间化合物粉末Mg_(17)Al_(12)，并使用不锈钢喷枪对混合粉末进行了沉积，得到了Al基复合涂层，同时研究了原材料粉末中不同含量(50vol.%和75vol.%)的Mg_(17)Al_(12)对涂层性能的影响。结果表明，强化相粉末的加入不仅能够显著提高金属Al粉末的沉积效率，有效改善涂层与基体的结合强度，而且不会恶化涂层的耐腐蚀能力。涂层比较致密，同时在基体上没有发现Mg_(17)Al_(12)粒子，结合其它研究结果，可以看出球形强化相粒子的作用为去除基体和粒子表面的氧化物和污染物、提高基体表面的粗糙度以增大涂层与基体的接触面积、改善金属Al粉末的沉积效率、夯实已经发生粘接的粉末粒子以及清洗不锈钢喷枪内壁。 用冷喷涂逐层沉积的方法在镁基体表面沉积了两种Al-Mg_(17)Al_(12)梯度涂层，并观察了涂层的显微形貌，结果显示涂层和基体在界面处结合较好，没有明显的缺陷；成分不同的层与层之间的界面也无法分辨，表明梯度涂层整体具有较好的结合强度，没有出现明显的分层现象。其主要原因是Mg_(17)Al_(12)粒子在涂层中的含量很低。涂层的显微组织也从侧面反映出使用冷喷涂技术逐层沉积制备梯度材料的可行性。