孫煥煥,常文軍,吳鳳雙

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.大連升隆機(jī)械有限公司，遼寧 大連 116300；3.遼寧恒信鋁業(yè)有限公司，遼寧 鐵嶺 112000)

鎂合金具有高比強(qiáng)度、低的密度、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、優(yōu)異的減震和電磁屏蔽性能。因此，在汽車、航空航天、電子、通訊、軍工等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。而鎂合金也存在一些不足，如其電極電位較低，化學(xué)性活潑，極易氧化和腐蝕；鎂合金質(zhì)軟，耐磨性差，這些缺點(diǎn)在很大程度上限制了它的應(yīng)用[2-3]。為了克服鎂合金的上述不足，國內(nèi)外研究人員開展了大量鎂合金表面改性處理的研究工作，并取得了較好的效果[4]。

大氣等離子噴涂Al2O3-TiO2涂層具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、韌性和較低的材料成本，被廣泛應(yīng)用一些材料表面的耐磨、耐蝕防護(hù)涂層[5-7]。在Al2O3粉末中摻入TiO2可降低噴涂粉末的熔點(diǎn)，減小涂層的孔隙率，獲得致密度更高的陶瓷涂層，同時(shí)提高陶瓷涂層的強(qiáng)度、韌性、耐磨損性能[5,8]。

本文采用大氣等離子噴涂方法在鎂合金表面制備Al2O3-TiO2陶瓷改性涂層，研究涂層組織成分，測試和分析陶瓷涂層對(duì)鎂合金基體的耐磨損和電化學(xué)腐蝕防護(hù)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)以AZ91D鎂合金板材為基體材料，尺寸100mm×100mm×14mm，其主要成分見表1。噴涂材料為Al2O3-13wt%TiO2粉末，平均尺寸約15μm，主要由α-Al2O3和金紅石型TiO2兩相構(gòu)成。

表1 AZ91D鎂合金的主要化學(xué)成分 wt%

1.2 涂層制備

噴涂設(shè)備采用美國Praxair3710型等離子噴涂系統(tǒng)，SG-100噴槍安裝在可編程控制的Motoman機(jī)械手臂上。噴涂前用丙酮清洗鎂合金表面油污，再用40～60目棕剛玉砂對(duì)鎂合金表面進(jìn)行噴砂粗化處理。具體噴涂工藝參數(shù)見表2，涂層厚度約200μm。

表2 等離子噴涂工藝參數(shù)

1.3 涂層組織性能研究方法

采用S-3400N掃描電子顯微鏡及其附帶的能譜儀對(duì)涂層的組織形貌及成分進(jìn)行分析；采用Rigaku Ultima IV型X射線衍射儀研究涂層的相組成；用FM-300型硬度儀測試涂層的顯微硬度，載荷50N，加載時(shí)間5s；采用MMW-1A摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試涂層的耐磨損性能，示意圖見圖1。對(duì)磨材料為45#鋼，回轉(zhuǎn)直徑Φ27mm，載荷15N，轉(zhuǎn)速20r/min，時(shí)間3min，試驗(yàn)前后分別用精度為0.001g的分析天平測量試樣的重量；采用荷蘭Ivium電化學(xué)工作站測試涂層的動(dòng)電位極化曲線，涂層試樣為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，腐蝕液采用3.5wt%NaCl溶液，掃描速度0.1mV/s，測試面積10mm×10mm。

圖1 磨損實(shí)驗(yàn)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層組織成分及相組成

圖2為AZ91D鎂合金表面等離子噴涂Al2O3-TiO2陶瓷涂層的截面相貌，可見陶瓷涂層與鎂合金基體結(jié)合較緊密，界面處無明顯缺陷。將涂層局部放大見圖3a，可見陶瓷涂層呈灰白分明的波浪式的層狀結(jié)構(gòu)。能譜分析發(fā)現(xiàn)，涂層白色的疏松組織a中主要含有Al、O兩種元素(圖3b)，而較為致密的灰色組織b則主要含有大量的Ti、O元素，及少量的Al(圖3c)。涂層呈現(xiàn)這種形貌是由于等離子噴涂過程中噴涂粉末大部分發(fā)生了完全熔化，且發(fā)生完全熔化的粉末顆粒鋪展、疊加形成波浪式的層狀結(jié)構(gòu)。但由于TiO2的熔點(diǎn)低于Al2O3，故其噴涂后組織相對(duì)致密，而高熔點(diǎn)的Al2O3噴涂后則相對(duì)疏松。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，涂層中局部存在少量的未熔顆粒及孔隙，這與等離子噴涂工藝的特點(diǎn)有關(guān)[9]。

圖2 Al2O3-TiO2陶瓷涂層截面形貌

涂層的XRD分析結(jié)果見圖4，可見Al2O3-TiO2涂層中由α-Al2O3、γ-Al2O3和金紅石TiO2三相組成。結(jié)合XRD結(jié)果已經(jīng)可以確定，涂層形貌中白色區(qū)域主要是α-Al2O3、γ-Al2O3兩相，而灰色區(qū)域則主要是金紅石TiO2。經(jīng)等離子噴涂后，大部分α-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)相γ-Al2O3，TiO2仍以金紅石型存在。這是由于等離子噴涂液相凝結(jié)冷卻速度極快，γ-Al2O3具有比α-Al2O3更低的界面能，所以γ-Al2O3優(yōu)先形核長大，因此在涂層中生成γ-Al2O3[10]，同時(shí)快的冷卻速度也為在噴涂過程中，少部分α-Al2O3未熔化或部分熔化而被保留在涂層中創(chuàng)造了條件[11]，所以出現(xiàn)α-Al2O3和γ-Al2O3兩相共存的情況。此外，涂層的XRD圖譜中出現(xiàn)了一些具有微晶或非晶特征的寬化衍射峰.這是由于等離子體溫度高，等離子焰流對(duì)噴涂粉末加熱充分，噴涂后冷卻速度快，在涂層中形成了少量細(xì)小的微晶或非晶組織[5]。

圖3 涂層截面放大圖及能譜分析

圖4 Al2O3-TiO2陶瓷涂層XRD分析結(jié)果

2.2 涂層的顯微硬度和磨損性能

AZ91D鎂合金基體及其表面Al2O3-TiO2陶瓷涂層顯微硬度如表3所示(5個(gè)點(diǎn)硬度的平均值)，因?yàn)橥繉又蠥l2O3聚集的地方組織相對(duì)疏松，故測量硬度時(shí)打點(diǎn)主要集中在結(jié)構(gòu)致密的TiO2區(qū)域。由測量結(jié)果可見，鎂合金表面噴涂陶瓷涂層的硬度較基體提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表3 硬度結(jié)果

磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。可見，AZ91D鎂合金噴涂Al2O3-TiO2復(fù)合陶瓷涂層后，表面耐磨性能大大提高，本實(shí)驗(yàn)相同磨損條件下，其磨損失重量僅為鎂合金基體的1%，這主要是由于陶瓷涂層具有較高的硬度，且涂層中低熔點(diǎn)TiO2的存在，使得噴涂過程中涂層的孔隙率降低，涂層更加致密、韌性增加，涂層顆粒之間結(jié)合強(qiáng)度增加[12]。磨損實(shí)驗(yàn)過程中，涂層沒有出現(xiàn)從基體剝離現(xiàn)象。此外，磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，陶瓷涂層表面發(fā)現(xiàn)粘有少許黑色物質(zhì)，這應(yīng)該是由于陶瓷涂層耐磨性好于對(duì)磨材料45#鋼，導(dǎo)致45#鋼磨損脫落且在磨損產(chǎn)生的熱量下被氧化所致。

表4 磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果 g

2.3 涂層的電化學(xué)性能

圖5為Al2O3-TiO2陶瓷涂層與未噴涂的AZ91D鎂合金基體在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)極化曲線，圖中給出了相應(yīng)的腐蝕電位和腐蝕電流。由圖可見，陶瓷涂層的極化曲線與鎂合金基體相比，整體左移，涂層的腐蝕電位-1.40V較鎂合金基體-1.44V略高，相應(yīng)的腐蝕電流密度5.76×10-2A/cm2較鎂合金基體2.63A/cm2下降近2個(gè)數(shù)量級(jí)。這表明，AZ91D鎂合金表面噴涂Al2O3-TiO2陶瓷涂層后，有效改善了其表面的抗電化學(xué)腐蝕性能。這一方面是由于陶瓷涂層有效隔離了腐蝕液對(duì)鎂合金基體的侵蝕，另一面要?dú)w因于Al2O3-TiO2陶瓷涂層自身良好的抗腐蝕性能。

圖5Al2O3-TiO2陶瓷涂層及未噴涂鎂合金的電化學(xué)極化曲線

3 結(jié)論

采用等離子噴涂技術(shù)在AZ91D鎂合金表面等離子噴涂Al2O3-TiO2，可以在鎂合金表面獲得改性陶瓷涂層。

(1)涂層呈現(xiàn)層狀組織，主要組成相為α-Al2O3、γ-Al2O3和金紅石TiO2。

(2)涂層平均硬度654.2HV，較鎂合金基體提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)；涂層的抗磨損性能明顯優(yōu)于鎂合金基體，本實(shí)驗(yàn)相同磨損條件下，其磨損失重量僅為鎂合金的1%。(3)涂層有效改善了鎂合金表面的抗電化學(xué)腐蝕性能。在3.5%NaCl溶液中，其腐蝕電位略高于鎂合金基體，腐蝕電流密度較鎂合金下降了近2個(gè)數(shù)量級(jí)。

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