镁合金表面冷喷涂铝合金的界面扩散行为_袁晓光

收稿日期:2006-11-03基金项目:沈阳市科技攻关计划资助项目(1053090-2-01)镁合金表面冷喷涂铝合金的界面扩散行为袁晓光, 刘彦学, 王怡嵩, 黄宏军(沈阳工业大学材料科学与工程学院,沈阳 110023)摘 要:采用冷喷涂技术在镁合金表面制备了快凝Al-12Si-3Fe-3Mn-2Ni 合金粉末涂层,观察了涂层与基体合金界面形态,试验研究了热处理温度和保温时间对涂层与基体之间相互扩散的影响。

结果表明,采用冷喷涂技术制备的快凝Al -12Si-3Fe -3Mn-2Ni 合金粉末涂层,经热处理后涂层更加致密、均匀,涂层中的Al 元素和基体中的Mg 元素均发生互扩散;基体中的Mg 元素向涂层方向的扩散量要大于涂层中的Al 元素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Mg ,Al 元素扩散程度均提高;但是当温度提高到300e ,时间延长到3h 后,其扩散层变化微小。

涂层和基体合金中的其它元素扩散量较少。

关键词:镁合金;冷喷涂;铝合金粉末;扩散中图分类号:TG166.4文献标识码:A文章编号:0253-360X(2007)11-009-05袁晓光0 序 言镁合金被人们誉为/21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料0。

镁合金的耐蚀性、耐磨性和耐高温性能差,成为阻碍镁合金推广应用的一个重要问题。

如何解决镁合金腐蚀和磨损问题是提高镁合金铸件使用寿命,拓宽镁合金应用范围的关键之一。

目前,镁合金表面防护方法主要有等离子体微弧阳极氧化、电镀、化学镀、气相沉积、激光改性等。

但是,等离子体微弧阳极氧化得到的氧化膜较薄,防护效果有限,电镀和化学镀工序复杂,且污染环境,气相沉积和激光改性的成本太高[1-6]。

因此,考虑到经济和效率因素,也可用喷涂的方法在镁合金表面喷涂覆盖上一层致密的保护膜。

有研究报道,可以在镁合金表面进行热喷涂,如镁合金表面热喷涂铝合金等[5],传统上采用的热喷涂方法也会对其产生一些有害影响,如高温氧化、蒸发、溶解、结晶、残余应力、剥落、气体释放和其它常见问题[6]。

新兴的冷喷涂工艺克服了上述弱点,在冷喷涂中,喷涂粉末粒子在热的非氧化性气流束中加速,喷涂加热温度较低,涂层基本无氧化现象,适用于纳米、非金属等对温度敏感材料,可以获得低氧化物含量、低内应力、高硬度、大厚度涂层[7]。

但是,涂层和基体的界面结合以及涂层之间的粒子结合主要以机械结合为主[8],导致涂层和基体的结合强度不高。

如果能够通过热处理使涂层和基体之间发生扩散,从而在界面处形成冶金结合,就可以大大提高界面的结合强度。

采用冷喷涂技术在镁合金表面制备铝合金涂层,目的是解决镁合金耐蚀性差,易磨损等问题。

同时采用不同的热处理工艺对喷涂试样进行扩散处理,研究了热处理对涂层与基体的相互扩散的影响,确定了最佳的热处理工艺。

1 试 验1.1 试验材料冷喷涂涂层合金成分为Al-12Si-3Fe-3Mn-2Ni,该成分是考虑了涂层耐磨、耐热和耐蚀性要求而设计的。

利用超音速气体雾化技术制备合金粉末,并将粉末进行筛分,选择过400目筛的粉末用于喷涂[6]。

表1是利用激光粒度测定仪检测的通过400目筛不同直径粉末的质量分数。

从表1可以看出,用超音速气体雾化技术制取的合金粉末,直径小于40L m 的粉末约占总质量的88.6%,而且粉末粒度分布较均匀,说明超音速气体雾化技术制备的合金粉末适合冷喷涂要求[7]。

表1 不同直径粉末的含量(质量分数,%)Table 1 Mass percent of powders with different particle size粉末最大直径D P L m<101015203040>40第28卷第11期2007年11月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INS TI TUTIONVol.28 No.11Nove mber 2007冷喷涂基体材料为镁合金,牌号为AK63,化学成分见表2。

表2 AK63镁合金的化学成分(质量分数,%)Table 2 Chemical compos ition of AK63m agnesium alloyAl M n Zn Si Cu Ni Fe Mg 8.5~9.50.17~0.400.9~0.95[0.05[0.025[0.001[0.004余量1.2 试验方法将冷喷涂试样分别在250,275,300e 进行退火处理,分别保温1,2,3h,空冷。

用扫描电镜(SEM)观察涂层和界面的形貌特征。

用能谱仪(EDS)分析热处理涂层与基体间相互扩散情况。

2 试验结果及分析2.1 热处理对涂层组织形貌及扩散的影响图1是涂层界面形貌。

可以看出,基体由于粉末颗粒的冲击发生了严重变形,而原先球形和类球形的粉末颗粒变成扁平状或长条状。

两种材料的分界线清晰、连贯,无烧结、夹杂等缺陷出现,涂层与基体的结合是机械结合。

图2是经过250e ,1h 热处理涂层与基体界面形貌。

图3是涂层和基体上不同点的Mg,Al 元素的含量变化曲线。

由图可见,从基体中的a 点到涂层中的g 点,Mg 元素的含量一直呈下降趋势,Al 元素的含量一直呈上升趋势。

在镁基体中的a ,b ,c 三点,其Mg 元素的含量在87.53%~66.93%之间,而AK63镁合金中的Mg 元素的含量为90%左右,说明越靠近界面处,Mg 元素向外扩散的程度越深;其Al 元素含量在10.64%~31.89%之间,而AK63镁合金中的Al 元素含量为9%左右,说明涂层中的Al 元素向基体中发生扩散,且靠近界面处,扩散程度深。

在涂层中的d ,e ,f ,g 点,其Mg 元素含量在29.45%~0.46%之间,由于涂层材料中并没有Mg 元素存在,可以推断,基体元素在涂层中发图1 热处理前涂层与基体界面形貌Fig.1 Morphology of interface between coating and substratealloy before heat treatment生扩散,且距离界面越远,元素含量越低;另外,Al 元素含量在47.36%~78.62%之间,最终接近原始涂层中Al 元素含量为80%的数值。

其它元素的扩散未能检测到,其扩散量可能很少。

图2 250e ,1h 热处理涂层与基体界面形貌Fig.2 Morphology of interface between coating and subs tratealloy after 250e ,1h heat treatm ent图3 能谱分析点元素质量分数变化曲线Fig.3 Curve of element mass percent with EDS analyzingMg,Al 元素发生扩散与涂层和基体的晶格类型有关。

镁合金基体主要是密排六方结构,而涂层中的铝合金基体则主要是面心立方结构。

通常密排晶体结构中扩散原子的激活能要比非密排晶体结构的大,导致扩散原子在不同晶体结构中的扩散系数有很大差异[9]。

Al 原子在镁合金基体中的扩散比Mg 原子在涂层中的扩散所需激活能高,另外,冷喷涂过程中涂层中的合金粉末塑性变形程度高,形成了高密度的位错,使涂层表面激活能升高,有利于Mg 元素向涂层方向扩散。

通常情况下,晶界处的原子排列较为松散,处于较高的能量状态,具有较低的扩散激活能和10 焊 接 学 报第28卷较高的扩散速率[9],而涂层是由很多细小的颗粒组成,形成了大量的晶界,这些晶界成了基体原子向涂层扩散的通道。

上述原因均导致Mg 元素向涂层中扩散比Al 元素向镁合金中扩散强烈,扩散距离较远。

Mg,Al 元素向涂层和基体中的互扩散有利于使涂层组织均匀化,使涂层强化,同时,有利于将涂层的机械结合向冶金结合过渡,提高界面结合强度。

2.2 不同热处理温度对界面扩散的影响图4a,b,c 分别是不同热处理温度下保温2h 的界面特征。

由图可见,250e 热处理界面处有过渡层出现,但不明显;275e 热处理界面处发生了较明显的扩散,扩散过渡层明显增厚,但过渡层厚度不均匀;300e 热处理界面处过渡层趋于均匀化,但厚度没有太大变化。

图4 热处理保温2h 的界面特征Fig.4 Feature of interface after holding 2h heat treatment图5和图6分别是保温2h,热处理温度为250,275,300e ,不同能谱分析点的Mg 和Al 元素的质量分数变化曲线。

其中a ~g 点是由基体经界面到涂层,一直到扩散区结束的七个点。

从图中可以看出,Mg 元素含量由基体到涂层呈下降趋势,Al 含量则呈上升趋势,而且两种元素的含量都从b 点开始发生较大幅度的变化,而从e 点开始又趋于平缓,说明大部分扩散发生在b 点和e 点之间,而且在靠近界面的c 点和d 点扩散程度最深。

对比250e ,2h 和275e ,2h 下的变化曲线,可以看出,在靠近涂层的d 点,Mg 元素含量有了较大幅度的提高,而在靠近基体的c 点,Al 元素含量也有较大幅度提高,说明温度由250e 提高到275e ,基体和涂层的互扩散程度加深;对比275e ,2h 和300e ,2h 下的变化曲线,可以看出,温度由275e 提高到300e ,其扩散有一定程度提高,但是幅度明显减小,两条曲线趋于一致。

由此可见,温度升高到300e 以后,温度对扩散的影响程度减弱,继续升高温度对扩散的影响不大。

图5 能谱分析点Mg 元素质量分数变化曲线F ig.5 Curve of Mg element mass percent with EDS analyzing图6 能谱分析点Al 元素质量分数变化曲线Fig.6 Curve of Al element m ass percent with EDS analyzing2.3 不同保温时间对界面扩散的影响图7a,b,c 分别是不同保温时间300e 热处理的界面特征。

由图可见,保温1h 界面处变得模糊,开始出现一定厚度的过渡层,保温2h 界面处扩散过渡层明显增厚,但过渡层不够均匀,保温3h 界面处过渡层厚度没有太大变化,但过渡层变得均匀、清晰。

图8和图9分别是热处理温度300e ,保温时间为1,2,3h,不同能谱分析点的Mg 和Al 元素含量变化曲线。

对比300e ,保温1h 和2h 的变化曲线可以看出,保温时间由1h 延长到2h,基体和涂层的互第11期袁晓光,等:镁合金表面冷喷涂铝合金的界面扩散行为11扩散程度有了较大幅度的提高;对比300e ,2h 和300e ,3h 下的变化曲线,可以看出,保温时间由2h 延长到3h,其扩散有一定程度提高,但提高幅度很小,两条曲线趋于一致。