镁合金表面冷喷涂快凝zn-al合金工艺研究

镁合金表面冷喷涂快凝zn-al合金工艺研究

目前，研磨镁和黄金表面的常用方法是用阳离子微弧氧化法。该方法不仅可以起到防腐作用，而且可以起到抗疲劳的作用。然而，这种氧化膜薄，耐腐蚀性有限。另外,镁合金也可用电镀、电化学镀的方法加以保护,但这些方法往往带来环境的污染。另外,镁合金表面也可以进行热喷涂,如镁合金表面热喷涂铝等,但是镁是一种非常活泼的金属,热喷涂会引起镁合金发生强烈的反应,导致剧烈氧化;喷涂时还会产生强烈的火花,对工作人员的安全也造成了威胁,而且还可以引起镁合金的相变、部分元素分解和挥发以及氧化等。冷喷涂也称为气体动力喷涂,它不依赖于热能,更多地依赖高的速度和动能,所以可以对制件进行低温喷涂。对镁合金表面进行冷喷涂,可以防止喷涂过程中镁合金表面的氧化,同时该技术所需的成本低,操作简单,危害性小。为此,本课题研究了冷喷涂在镁合金上的应用。1测试方法1.1气体雾化法冷喷涂涂层合金为ZA20(Al的质量分数为20%),利用超音速气体雾化方法制备合金粉末,并将粉末进行筛分,取320目以上的粉末用于冷喷涂。冷喷涂基体材料为镁合金,牌号为AK63。1.2拉伸和硬度测试结合强度检测采用MODEL55100型电子万能试验机,拉伸试样见图1。涂层硬度用HDL-1875型布氏硬度仪测试。微观组织和粉末形貌分析用EMP-810Q型电子探针。2喷涂层的微观组织2.1冷喷涂粉末形貌图2是利用超音速气体雾化装置制备的ZA20合金320目以上粉末形貌。从图2中可以看出粉末粒度比较均匀,多数粉末呈条形和球形,尺寸过分细小的粉末所占比例很小。粉末的这种粒度分布对冷喷涂十分有益。因为粉末粒度集中,可以使多数粉末同时达到冷喷涂工艺要求的飞行速度,有益于多数粉末与基体表面相结合,提高粉末的沉积效率,也有利于工艺参数的控制。2.2喷涂工艺参数的确定影响冷喷涂技术的主要因素是气体的压力、温度和喷涂距离。气体压力和喷涂距离决定粉末冲击到基体表面时的速度,适当的粉末飞行速度可以在保证基体与涂层之间结合强度的同时具有较高的沉积效率;温度对粉末冲击到基体时的塑性变形影响较大,从而影响粉末与基体及粉末之间的结合。表1是采用不同冷喷涂工艺参数时涂层的结合情况。可以看出,随着温度和压力的不断升高,涂层的沉积效率也越来越好,但只有在适当的喷涂距离时才能获得较厚的涂层。这是因为喷涂距离的大小影响了喷涂气流的形式,也就影响了喷涂粒子到达基体表面时的垂直速度。距离过小虽然气流全部都处于稳定状态,但到达基体后没有及时与基体结合的粉末将被反弹并与后续粉末相碰撞,减慢了后续粉末的速度,喷涂效果变差;喷涂距离过大时,虽然气流在基体表面附近也处于稳定状态,但不能在较低的温度下达到结合的临界速度;温度过高将造成基体和涂层缺陷的增加。在喷涂温度为300℃,气体压力为2.15MPa,喷涂距离为50mm的情况下,沉积效率下降。如果再增加喷涂温度和喷涂压力,会提高粉末的沉积效率,但随着温度的升高,在基体和涂层的结合处会产生夹杂、烧结甚至使基体熔化的现象。与此同时,由于温度的不断提高,合金粉末粘度增大,以致会发生粘枪问题,使枪内气流不稳定,温度骤然升高,造成粉末熔化。另外,随着压力的不断增加,基体严重变形,表面出现很大的凹陷,而沉积效率不但未提高反而下降。鉴于以上情况,根据涂层厚度,本研究确定工艺参数为喷涂距离40mm、气体温度300℃、气体压力为2.15MPa。2.3喷涂层的微观组织图3a和图3b分别为ZA20合金的铸态组织和冷喷涂后的涂层组织。由图3a可见,合金的铸态组织为粗大的树枝晶,枝晶间分布着析出的第二相;冷喷涂涂层组织是由等轴晶组成,见图3b。可以发现,采用快速凝固Zn-Al合金粉末冷喷涂后形成的涂层组织形态与铸态组织完全不同。图3c是ZA20合金铸态组织中Al元素的面分布。以看出,铸态组织中的Al元素主要分布在枝晶间,出现晶间富Al相。根据Zn-Al合金的凝固特点,铸态组织中树枝晶是α-Zn相,晶间分布的富Al相是富Al的(α+β)共晶相,β相是以Zn为基的固溶体。可见Zn-Al铸态合存在着明显的Al元素偏析现象。这种偏析对合金的耐性、耐腐蚀性和塑性均有不利的影响。图3d为冷喷涂后涂层组织中Al元素的面分布可以看出,涂层组织中Al元素均匀分布在α-Zn相中,枝晶间析出的共晶相数量很少,偏析现象基本消失。这是因为所用的粉末是利用超音速气雾化装置制备的,这种粉末冷却速度高,枝晶也来不及长大,共晶相也来不及析出,使得Al元素偏析现象消失,而在冷喷涂过程中由于喷涂温度低,粉末未发生熔化现象,快速凝固组织得以保留,Al元素偏析现象也就随之消失。由此可见,冷喷涂技术既未改变基体合金的组织也未改变粉末的组织,这对利用快速凝固技术消除合金元素的偏析,从而提高合金性能以及保持基体合金特性是十分有价值的。2.4冷喷涂工艺参数对涂层的影响冷喷涂时,涂层与基体之间的界面结合情况与喷涂过程中基体表面的温度和喷涂时气体与粉末在基体处产生的压力有关。不合适的基体表面温度易造成界面处出现各种缺陷,例如:基体表面出现熔化现象,会导致结合处产生夹杂缺陷;基体表面压力过低易造成涂层中产生孔洞缺陷。因此,合适的基体表面温度和基体表面压力是获得界面结合良好、致密的涂层的关键。利用试验测出粉末停滞温度和喷射流的换热系数,可以计算出基体表面的温度。选取直角坐标系的xy轴分别与喷嘴外端面的两边平行,其中x轴和喷嘴短边平行,y轴与喷嘴长边平行,z轴方向垂直基体表面,取位于喷嘴外断面中心线与基体表面交点为坐标原点,则基体温度分布满足下列热传导方程:式中,T(x,z)为基体上各点的温度值。同时在气流稳定状态下,存在如下热守恒:式中,L为基体的长度,a(x)为导温系数,T0(x)为基体初始温度,T(x,0)为基体表面温度。其中在x=0处温度最高,当喷嘴到基体的距离Z0大于等于4倍的喷枪口外端面短边距离h时,基体表面温度梯度T0(x)与x之间存在如下函数关系:式中,Ta为室温;T*0为喷涂温度;x0.5为压力剖面半径的一半。冷喷涂停滞温度为583K,喷涂距离为40mm,通过上述公式计算可得基体表面的温度为388K,远低于基体和合金粉末的熔点。从理论上来看不会出现使粉末和基体产生熔化现象,这样可以避免夹杂缺陷的产生。此外,这也说明用冷喷涂工艺制备镁合金防腐涂层,不会产生像热喷涂那样由于喷涂温度过高造成的镁合金表面熔化、金属蒸发和烧结等问题。高速冲击气流与基体之间的相互作用决定了基体表面的压力分布,从而影响到压缩涂层的致密性。压力在基体表面上的分布符合下面的公式式中,b=21/4-1≈0.19;Ps为基体表面压力;Pa为周围环境的压力;Psm为基体表面在x=0处的压力,近似为喷涂气体压力。根据式(4)可知,喷涂气体压力Psm越高,基体表面的压力也越高。由该公式可计算出本试验工艺条件下的喷涂中心位置(x=0)和周边位置(x=3.5mm)基体表面的喷涂压力,分别为2.15MPa和1.12MPa,即喷涂中心位置的基体表面喷涂压力明显高于边缘处。图4a和图4b分别是不同喷涂位置的涂层及涂层与基体界面。由图4可见,喷涂中心位置的涂层致密性较高(见图4a),而周边涂层致密性较差,孔洞较多,见图4b。出现这种现象的原因与基体表面的压力分布有关。这种高的基体表面喷涂压力,导致粉末在喷涂过程中塑性变形加大,从而涂层也比较致密。此外,基体表面喷涂压力越大,喷涂气体压力也越大,这也间接说明在同样的喷涂温度与喷涂距离下,适当地提高喷涂气体压力有利于获得致密的涂层。此外,从图4还可以看出,即使喷涂周边处涂层不致密,其产生的孔洞也是不连通的,从防止腐蚀的角度来看,这种涂层仍然具有阻止腐蚀介质进入涂层与基体结合界面的作用。另外,从图4中元素的线分布和界面结合状态还可以看出,涂层与基体的结合是机械结合,两种材料的分界线清晰、连贯,无烧结、夹杂等缺陷出现。比较喷涂不同位置的结合界面还可以发现,喷涂压力较大的中心部位,其涂层与基体的结合较喷涂压力较小的周边部位更紧密,说明喷涂压力越高界面结合情况越好,涂层对隔离腐蚀介质的作用越好。2.5冷喷涂气体压力对涂层与基体结合强度的影响喷涂工艺1的工艺参数为:喷涂温度300℃、喷涂距离40mm、喷涂气体压力2.15MPa,获得的涂层厚度为2.430mm;喷涂工艺2的工艺参数为:喷涂温度300℃、喷涂距离40mm、喷涂气体压力2.0MPa,获得的涂层厚度为1.910mm。工艺1获得的喷涂层具有较高的结合强度,达到了14.4MPa,这个强度值完全可以达到使用要求;而工艺2的结合强度明显低于工艺1,只有10.5MPa。两个工艺的最大差别是喷涂的气体压力不同,工艺1的气体压力高于工艺2。由于喷涂时气体压力大,有利于粉末的塑性变形,可以提高涂层的致密性(见图4),从而提高涂层与基体的结合强度。但是喷涂时气体的压力过大,粉末反弹现象严重,反而不利于涂层的致密性。因此不能仅靠提高喷涂气体压力提高涂层与基体的结合强度和喷涂层的致密性。镁合金AK63、铸态ZA20合金和ZA20合金快凝粉末冷喷涂涂层的布氏硬度分别为64、100、178。可以看出涂层的硬度值明显高于镁合金基体和铸态ZA20合金,大约为镁合金AK63基体硬度值的2.8倍,铸态ZA20合金硬度值的1.8倍。镁合金表面冷喷涂ZA20合金快凝粉末,可获得与基体结合牢固、高硬度的涂层,能够大大提高镁合金的耐磨性。3结论(1)采用冷喷涂工艺制备涂层时,喷涂温度远低于镁合金熔化温度,冷喷涂涂