涂層厚度對AZ91D鎂合金WC涂層性能影響研究

馮日寶，李 強，丁坤英

（中國民航大學(xué)理學(xué)院，天津 300300）

鎂合金性能優(yōu)異，已經(jīng)在IT行業(yè)、造船業(yè)、摩托車行業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。例如：鎂合金替代汽車上的鋼鐵構(gòu)件已成為近年來的發(fā)展趨勢,在航空航天中的應(yīng)用前景也將越來越廣，被譽為21世紀(jì)最有前途的綠色結(jié)構(gòu)材料[2-5]。

但是，鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位約為-2.37 V，電負(fù)性很強，因此具有很高的化學(xué)活潑性，導(dǎo)致鎂及其合金在潮濕的空氣、含硫氣氛和海洋大氣中會發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕。鎂及其合金腐蝕形成的表面氧化膜通常為疏松多孔，很難抑制腐蝕環(huán)境對基體的進(jìn)一步腐蝕。因此，耐腐蝕性較差已成為鎂及其合金廣泛應(yīng)用的最大障礙。

目前，對于鎂合金的防護(hù)技術(shù)主要采用兩種途徑：一方面，通過提高鎂合金自身的耐蝕性，力圖通過凈化合金成分和修改不合理的設(shè)計、減少熔煉過程的夾雜、減輕表面污染、避免電偶對等方法，達(dá)到降低鎂合金構(gòu)件腐蝕速率的目的，從而提高鎂合金本身的耐腐蝕性；另一方面，通過表面改性提高鎂合金的耐蝕性，通過在鎂合金基體表面制備保護(hù)層，形成耐蝕屏障,實現(xiàn)對鎂合金基體的有效保護(hù)。由于提高鎂合金的純度或開發(fā)出高耐蝕性能的新型鎂合金往往成本高且效果有限，因此對鎂合金進(jìn)行表面處理是改善鎂合金表面性能的有效方法，也是提高鎂合金耐腐蝕性、耐高溫、抗氧化的重要手段[6]。

本研究主要采用超音速火焰噴涂技術(shù)，在鎂合金基體上制備碳化鎢防護(hù)涂層，以增強其抗腐蝕性和耐磨性。通過利用碳化鎢質(zhì)硬、耐磨、致密、孔隙率低的優(yōu)良特性形成鎂合金表面防護(hù)涂層，從而提高鎂合金的耐腐蝕性和耐磨性，以拓寬鎂合金的使用領(lǐng)域。

超音速火焰噴涂技術(shù)應(yīng)用于鎂合金表面防護(hù)，需考慮噴涂過程中熱機械作用對基體表面的影響，因此涂層工藝的主要參數(shù)都會對基體及其結(jié)合面有重要影響，如燃料供給量、助燃?xì)夤┙o量、送粉氣供給量、噴涂距離、噴涂溫度、涂層厚度等。由于涂層厚度的變化會帶來熱機械作用程度的改變等影響，因此本文主要研究涂層厚度變化對于涂層整體性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用AZ91D鎂合金，制備成試樣的尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，其化學(xué)成分如表1所示。超音速火焰噴涂涂層原材料選用WC/10Co4Cr粉末，其平均粒度為 20～40 μm。

表1 AZ91D鎂合金化學(xué)成分（wt%）Tab.1 Chemical elements of AZ91D magnesium alloy（wt%）

1.2 涂層制備

AZ91D鎂合金板在噴涂前要先后經(jīng)過航油和丙酮的清洗，使鎂合金表面干燥清潔。鎂合金表面噴砂處理工藝使用24目剛玉，噴砂壓力為0.4 MPa。噴砂后的工件采用JP-5000超音速火焰噴涂機立即進(jìn)行噴涂，噴涂參數(shù)如表2所示。噴涂不同厚度的WC涂層，具體試樣參數(shù)如表3所示。

表2 超音速火焰噴涂工藝參數(shù)Tab.2 Parameter of HVOF process

表3 WC涂層試樣編號Tab.3 Number of WC coating model

1.3 試驗方法

采用1530VP場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察不同厚度的WC涂層試樣的橫截面形貌。采用D/MAX-2500型衍射儀對所制備的涂層進(jìn)行相組成分析，設(shè)備參數(shù)為Cu靶Kα1射線，波長為0.154056nm，掃描速度為5°/min，掃描范圍為 10°～80°。

采用型號為HVS-1000的顯微硬度計按GB/T4342-1991，載荷為4.9 N，加載時間為20 s，測量部位為涂層橫截面，從接近涂層上表面開始，選取至上而下直到過渡層的8個點測其顯微硬度值。

腐蝕試驗采用體積分?jǐn)?shù)分別為2%的濃鹽酸、2%的濃硫酸、2%的濃硝酸和蒸餾水混合配成的腐蝕液，對噴涂后的試樣表面進(jìn)行浸泡腐蝕[7-8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層橫截面形貌

圖1所示為WC涂層橫截面微觀形貌。從圖1中A（試樣A）可看出，至上而下整個試樣分為WC涂層、過渡層、AZ91D鎂合金基體。在超音速狀態(tài)下WC粒子變形充分，撞擊基體后形成的涂層平整、光滑、均勻，且與基體結(jié)合良好，無裂紋，無剝離現(xiàn)象存在。但是，在試樣A中WC涂層存在一定數(shù)量的孔隙；在試樣B中孔隙的數(shù)量有較大程度的下降；在試樣C中幾乎沒有孔隙。上述分析表明，由于涂層厚度的逐漸增加，火焰作用于試樣的時間就隨之增加，從而導(dǎo)致孔隙數(shù)量的逐漸下降。

由圖2可知，當(dāng)粉末WC經(jīng)過超音速火焰噴涂機的加熱和加速后，熔融狀態(tài)下的超音速WC猛烈沖擊鎂合金表面，強大的動能和巨大的沖量，使得WC與基體鎂合金直接發(fā)生了激烈的碰撞，則機械結(jié)合就成為了二者之間主要的結(jié)合方式。形成WC涂層后，WC分子仍然處于活躍狀態(tài)，較大的熱能會加劇WC向基體擴(kuò)散。EDS線掃描分析表明，在過渡層乃至基體中均出現(xiàn)W、C、Cr、Co元素，說明同時還存在著涂層與基體的冶金結(jié)合。能譜分析結(jié)果表明，隨著涂層厚度的增加，C的擴(kuò)散在逐步增強，而且向鎂合金擴(kuò)散的深度在不斷加深，表明涂層與基體之間存在冶金結(jié)合。但是，W、Cr、Co這3種元素雖然存在擴(kuò)散，但隨著涂層的加厚，3種元素的擴(kuò)散沒有明顯變化，基本保持不變。

此外，能譜分析表明WC涂層內(nèi)不存在Al、Mg、Zn等AZ91D主要組成元素，說明不存在基體成分向涂層方向的擴(kuò)散。

2.2 涂層的相結(jié)構(gòu)

圖3為不同厚度的WC涂層的X射線衍射圖譜。由圖3可知，WC顆粒經(jīng)超音速火焰噴涂的加速和高溫?zé)嶙饔?，涂層中同時存在WC、W2C。W2C的存在是由于部分WC在高溫下發(fā)生分解反應(yīng)形成的，反應(yīng)式為：2WC→W2C+C。W2C將導(dǎo)致涂層的硬度下降、耐磨性降低，影響涂層的正常使用[9]。但是，由于只有部分WC發(fā)生分解，所以對于涂層整體影響甚微。

2.3 涂層表面的顯微硬度

利用HVS-1000型顯微硬度儀測量試樣的顯微硬度，按GB/T4342-1991進(jìn)行試驗，載荷為4.9 N，加載時間為20 s。每個試樣選取8個點進(jìn)行測量，結(jié)果如表4所示。

試樣A、B、C硬度的平均值分別為857 HV、1 155 HV、1 221 HV。上述分析表明，隨涂層厚度的增加，涂層的顯微硬度有增大的趨勢。

表4 顯微硬度值Tab.4 Micro-hardness values

2.4 涂層耐腐蝕性實驗

用環(huán)氧樹脂將WC涂層以下的鎂合金基體封嚴(yán)，置于配置好的腐蝕混合液中常溫浸泡13天。圖4為A試樣的腐蝕形貌，B、C試樣與A完全一致。由圖4可見，在混合強酸腐蝕液的浸泡下，腐蝕前后WC涂層表面沒有發(fā)生變化，WC涂層與基體鎂合金結(jié)合良好，沒有發(fā)生開裂、剝落、鼓起等與混合強酸反應(yīng)的跡象（說明：表面殘留的白色物質(zhì)為實驗中用到的混合強酸揮發(fā)水分后的殘留）。結(jié)果表明，形成的WC涂層具有很好的致密性，隔斷了混合強酸與基體鎂合金之間的接觸，有效地保護(hù)了基體鎂合金，提高了鎂合金的耐腐蝕性。

3 結(jié)語

1）超音速火焰噴涂形成的WC涂層均勻、致密，孔隙較少；涂層與基體結(jié)合緊密，無裂紋，無剝離。

2）超音速火焰噴涂過程中部分WC發(fā)生分解形成W2C。分解率受到火焰作用時間長短的影響。

3）隨涂層厚度的增加，涂層的顯微硬度有增大的趨勢。

4）WC涂層有效地提高了鎂合金的耐腐蝕性。

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