AZ31B鎂合金預(yù)置SiC懸浮液-超聲沖擊工藝

柳健，牛宗偉，楊保偉，蔣瑞鑫，趙慶志

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

輕質(zhì)鎂合金具有比強(qiáng)度和比剛度高，降噪減震和電磁屏蔽性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、航空航天、生物醫(yī)療、3C電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”[1-4]。然而，在表面性能方面始終有2個(gè)問題制約著鎂合金的進(jìn)一步應(yīng)用：一是鎂合金在自然條件下表面容易氧化而形成疏松多孔的膜，對(duì)基體起不到保護(hù)作用，耐蝕性差；二是鎂合金硬度低、耐磨性差[5]。

近些年來，研究者們致力于開發(fā)有效的表面處理技術(shù)來改善鎂合金的表面性能，主要有化學(xué)轉(zhuǎn)化[6]、物理氣相沉積(PVD)[7]、離子注入[8]、表面熔覆[9]、表面納米化(SNC)[10-11]等。這些技術(shù)的工藝條件大致有以下4種[12]：(1)高真空、高溫；(2)常壓、高溫；(3)高真空、室溫；(4)常壓、室溫。高溫高真空工藝不僅設(shè)備復(fù)雜、昂貴，而且能耗大。真空室限制了涂覆的面積，制備的樣品孔隙率高。常壓高溫工藝具有較高的生產(chǎn)率和成品率，但涂層和基體在高溫下難免被氧化，導(dǎo)致兩者間的結(jié)合強(qiáng)度往往較低，并且高溫會(huì)使涂層晶粒長(zhǎng)大，很難制得納米涂層。

超聲沖擊技術(shù)是表面納米化工藝的一種，在大氣環(huán)境下就可操作，能耗低，無污染，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。超聲沖擊較多被應(yīng)用在焊縫表面，以提高焊接頭的抗疲勞性能和焊縫接頭處的抗應(yīng)力腐蝕性能，消除焊趾處的微裂紋和焊渣缺陷。也有諸多研究者將其用于改善材料表面性能。He等人[13]對(duì)AZ91D鎂合金進(jìn)行了超聲沖擊處理，顯著提高了鎂合金的耐磨性和顯微硬度。江明明等人[14]研究了超聲沖擊時(shí)間(2 ～ 6 min)對(duì)MB8鎂合金耐蝕性的影響，發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)超聲沖擊時(shí)間有利于提高鎂合金的耐腐蝕性能。此外，與噴丸相比，雖然超聲沖擊獲得的強(qiáng)化層深度有所不及，但是能夠填充表面的“峰谷”，在細(xì)化晶粒的同時(shí)還能減少表面缺陷。故從理論上而言，超聲沖擊既可以提高材料表面的硬度[15]，還可以在一定程度上提高材料的耐蝕性[16]。本文先在鎂合金表面預(yù)置SiC懸浮液，再進(jìn)行超聲沖擊，以提高鎂合金的表面硬度和耐蝕性。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 材料及裝置

基體材料為軋制成形的AZ31B鎂合金，切割成40 mm × 40 mm × 8 mm大小。使用中冶新材公司生產(chǎn)的SiC顆粒，平均粒徑為15 μm和0.5 μm，波動(dòng)范圍不超過20%，如圖1所示。

圖1 平均粒徑分別為15 μm(a)和0.5 μm(b)的SiC顆粒的形貌 Figure 1 Morphologies of SiC particles with an average diameter of 15 μm (a) and 0.5 μm (b), respectively

超聲沖擊裝置如圖2所示。超聲波發(fā)生器的頻率為28 kHz，可通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)整功率。采用自行設(shè)計(jì)的近似弧狀鎢鋼撞針，小圓端面的直徑為2 mm，采用激光位移傳感器測(cè)得撞針的最大振幅為16 μm。

圖2 超聲沖擊裝置示意圖 Figure 2 Diagram of ultrasonic impact device

1. 2 AZ31B鎂合金超聲沖擊工藝

先采用200目至800目的砂紙逐級(jí)打磨基體，以去除表面氧化膜。然后用無水乙醇超聲清洗20 min，去除表面污漬。

按質(zhì)量比為1∶3將SiC顆粒加入無水乙醇中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢璧玫絊iC懸浮液，用藥匙將懸浮液涂覆在AZ31B鎂合金基體表面，并沿不同角度傾斜基體，使懸浮液完全覆蓋。自然晾干后將鎂合金基體固定在機(jī)床平臺(tái)上，用Kistler 9257B型三向測(cè)力儀調(diào)節(jié)撞針與基體的初始靜壓力為5 N，隨后打開超聲電源在240 W功率下超聲沖擊。如圖3所示，每全面掃描1次基體即為1道次，每隔3道次重新涂覆懸浮液1次，共涂覆3次。表1給出了不同工藝條件下超聲沖擊樣品的工藝條件，其中2#和3#試樣涂覆3次后額外強(qiáng)化1道次，未經(jīng)任何處理的空白基體編號(hào)為0#。

圖3 撞針運(yùn)動(dòng)軌跡 Figure 3 Trajectory of impactor

表1 各樣品的處理工藝條件 Table 1 Treatment conditions of different samples

1. 3 性能檢測(cè)和表征

采用Axio Lab A型金相顯微鏡觀察樣品的金相組織，制樣步驟如下：先用砂紙打磨樣品表面，然后放在由1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，后同)硝酸、24%乙酸和75%水組成的混合溶液中腐蝕2 s，接著立即用水槍沖洗。使用Apreos場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的表面形貌，用SEM配備的能譜儀(EDS)分析樣品成分。使用德國(guó)D8 Advance X射線衍射儀(XRD)分析樣品的物相組成。

使用日本Future-Tech FM-800型維氏顯微硬度計(jì)測(cè)試樣品的顯微硬度，載荷50 g，加載時(shí)間15 s，每個(gè)條件測(cè)5個(gè)平行試樣，每個(gè)樣品隨機(jī)測(cè)6點(diǎn)，取平均值。

使用芬蘭X-STRESS-300型殘余應(yīng)力儀檢測(cè)樣品表面的殘余壓應(yīng)力(σ)。

使用上海辰華CHI-660E型電化學(xué)工作站測(cè)量樣品在3.5% NaCl溶液中的Tafel(塔菲爾)曲線和電化學(xué)阻抗譜。測(cè)試前用酒精沖洗樣品，留出10 mm × 10 mm的測(cè)試面積，其余部分用環(huán)氧樹脂密封，輔助電極為鉑電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，Tafel曲線測(cè)試的掃描速率為1 mV/s，EIS譜圖測(cè)試在開路電位下進(jìn)行，頻率從100 kHz至0.01 Hz，振幅10 mV，每個(gè)樣品取2個(gè)平行試樣，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2. 1 金相組織分析

從圖4a可知，AZ31B鎂合金基體主要由α-Mg相組成，在晶內(nèi)和晶界處有少量彌散分布的點(diǎn)狀金屬間化合物β-Mg17Al12。從圖4b可知，1#試樣表面晶粒被細(xì)化，內(nèi)部夾雜了少量透鏡狀寬孿晶，這是鎂合金塑性變形的常見現(xiàn)象[17]。1#試樣表面存在少量凹坑，凹坑直徑在15 μm左右，接近SiC的初始粒徑，可能是在用砂紙打磨時(shí)表面的部分大粒徑SiC顆粒或SiC顆粒團(tuán)聚體脫落留下的。凹坑處的晶粒細(xì)化更明顯，可能是在撞針的振動(dòng)擠壓下硬度較高的SiC顆粒對(duì)基體產(chǎn)生了更強(qiáng)烈的塑性變形，使對(duì)應(yīng)部位的晶粒嚴(yán)重破碎。3#試樣表面晶粒細(xì)化顯著，細(xì)化層厚度約為20.8 μm，沒有大凹坑，整體較平坦。

圖4 不同試樣的金相照片 Figure 4 Metallographic pictures of different samples

2. 2 表面形貌和成分分析

采用掃描電鏡觀察不同試樣的形貌，并用附帶的能譜儀進(jìn)行面掃分析。從圖5和圖6可知，當(dāng)預(yù)置SiC顆粒直徑為15 μm、超聲沖擊8道次時(shí)，所得的1#試樣表面的大部分SiC顆粒處于半嵌入表面的狀態(tài)，并且分布很不均勻，一些顆粒與基體之間存在縫隙(見圖5a箭頭所示)，部分顆粒相互之間沒有完全壓實(shí)固結(jié)(見圖5a方框)，說明SiC顆粒跟基體之間的結(jié)合并不牢固。增加超聲沖擊至10道次后，所得的2#試樣中SiC顆粒已嵌入，并與基體形成機(jī)械結(jié)合，圖7給出的截面線掃結(jié)果可證實(shí)這一點(diǎn)。但鎂極易被氧化，所以還存在鎂的氧化物，這導(dǎo)致很難分辨出SiC顆粒的具體形態(tài)。當(dāng)使用粒徑為0.5 μm的SiC沖擊10道次時(shí)，所得的3#試樣表面非常平坦，顆粒與鎂合金基體表層已經(jīng)混合并且固結(jié)成片，Si的覆蓋率高達(dá)94%，幾乎完全覆蓋。

圖5 1#(a)、2#(b)和3#(c、d)試樣的表面SEM照片 Figure 5 SEM images of sample 1# (a), 2# (b), and 3# (c, d)

圖6 1#(上)、2#(中)和3#(下)試樣的EDS面掃結(jié)果 Figure 6 EDS mapping results of sample 1# (above) 2# (middle), and 3# (bottom)

圖7 2#試樣截面的線掃結(jié)果 Figure 7 Cross-sectional line scanning results of sample 2#

2. 3 物相分析

從圖8可知，經(jīng)超聲沖擊強(qiáng)化后所有樣品中除了α-Mg相和SiC外，并沒有其他新相。金屬間化合物Mg17Al12的含量較低，所以XRD譜圖中未顯示其特征峰。3#試樣的主峰明顯向高角度偏移，說明晶面間距變小，可能是引入了壓應(yīng)力。與0#試樣相比，所有超聲沖擊樣品的主峰衍射強(qiáng)度都降低，可能與撞針的振動(dòng)擠壓導(dǎo)致晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)；峰的半高寬增大則與晶粒的細(xì)化和微應(yīng)變的引入有關(guān)。

圖8 各樣品的XRD譜圖 Figure 8 XRD patterns of different samples

2. 4 顯微硬度和殘余應(yīng)力分析

從圖9可以看出，超聲沖擊后鎂合金表面殘余壓應(yīng)力增大，適當(dāng)增加道次能夠提高壓應(yīng)力?；w初始時(shí)的輕微殘余壓應(yīng)力可能是在軋制成形時(shí)形成的。從圖10可知，2#和3#試樣的顯微硬度相近，約為240 HV，比0#試樣高了2倍多。1#試樣表面由于SiC沒有完全覆蓋，大部分顆粒處于半嵌入狀態(tài)，因此其顯微硬度的測(cè)量誤差可能較大。

圖9 各樣品表面的殘余壓應(yīng)力 Figure 9 Residual compressive stress of different samples

圖10 各樣品的表面顯微硬度 Figure 10 Microhardness of different samples

2. 5 耐蝕性分析

采用電化學(xué)工作站自帶軟件擬合圖11a得到表2的電化學(xué)腐蝕參數(shù)。從中可知，經(jīng)超聲沖擊后鎂合金在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電位明顯正移，腐蝕電流密度減小，表明樣品的耐蝕性提高。從圖11b可知，超聲沖擊后樣品的容抗弧半徑明顯增大，表明耐蝕性得到了改善。極化電阻RP的增大也表明了耐腐蝕性能的提高。

圖11 不同樣品在3.5% NaCl溶液中的Tafel曲線(a)和Nyquist譜圖(b) Figure 11 Tafel plots (a) and Nyquist plots (b) for different samples immersed in 3.5% NaCl solution

表2 Tafel曲線擬合結(jié)果 Table 2 Parameters obtained by fitting the Tafel plots

超聲沖擊試樣耐蝕性提高的原因主要如下：(1)超聲沖擊令基體表面晶粒細(xì)化，晶界密度明顯增大，這為基體提供了更多的物理保護(hù)屏障[18]，阻隔了腐蝕；(2)超聲沖擊獲得的細(xì)化層致密，沒有裂紋等明顯的缺陷；(3)超聲沖擊試樣表面具有一定的殘余壓應(yīng)力，不僅能在一定程度上抑制裂紋的萌生，還有助于提高鈍化膜的致密度，保護(hù)鎂合金基體免受破壞[19]。

3 結(jié)論

通過對(duì)AZ31B鎂合金表面涂覆SiC懸浮液+超聲沖擊處理，將SiC微粒嵌入基體中，獲得一定厚度的納米細(xì)化層。結(jié)果表明，經(jīng)超聲沖擊后樣品的顯微硬度提高了2倍多，耐蝕性顯著改善。