AZ91D镁合金表面电弧喷涂铝锌涂层组织的研究

AZ91D 镁合金表面电弧喷涂铝锌涂层组织的研究

曲明,刘忆

(辽宁工程技术大学材料科学与工程系,辽宁阜新123000)

[摘　要]　为了提高AZ91D 镁合金的耐腐蚀性能和表面硬度,用电弧喷涂的方法在镁合金表面形成铝锌防护层,并结合扫描电镜和能谱对涂层的组织进行了观察及分析。结果表明,涂层由铝锌两相的机械混合物构成。涂层与基体结合良好,具有较高的显微硬度和较好的抗腐蚀性能。

[关键词]　镁合金;电弧喷涂;铝锌涂层;耐蚀性

[中图分类号]TG146.2;TG174.442 [文献标识码]A [文章编号]1001-3660(2006)06-0017-02

Study on A l 2Zn Coa ti n g Structure Sprayed by

Electro 2arc Spray i n g on AZ 91D M agnesi u m A lloy

QU M ing,L I U Yi

(Depart m ent of Materials Science and Engineering,

L iaoning University of Engineering and Technol ogy,Fuxin 123000,China )

[Abstract]　I n order t o i m p r ove the corr osi on resistance and m icr o hardness of AZ91D magnesium ,a p r o 2tecting alu m inu m and zinc coating on the magnesium all oy surface is obtained by electr o 2arc s p raying .The coat 2ing structure has been observed and analyzed with SE M.The result shows that the coating is made up of the me 2chanical m ixture of alu m inu m and zinc .The coating combines with the base very well,and it has higher m icr o 2hardness and the resistance corr osi on of magnesiu m is i m p r oved greatly .

[Key words]　Magnesium all oy;A rc s p raying;A lu m inu m 2zinc coating;Corr osi on resistance

[收稿日期]2006-06-27

[作者简介]曲明(1981-),男,满族,辽宁营口人,硕士,主要研究方向为表面改性技术。

0　引　言

作为地球上最轻的金属结构材料,镁及其合金具有许多优良的特性。镁的比强度很高,密度约为铝的2/3、铁的1/4,是最轻的工程金属[1]。它具有良好的导热性、导电性、尺寸稳定性、电磁屏蔽性、机加工性能以及再循环利用的性能。镁合金由于这些突出特点引起了材料科学工作者们的重视,被誉为21世纪绿色金属结构材料,在航空航天、汽车、电子以及军事等工业上表现出了广阔的应用前景

[2]

。北美、欧洲、日本和台湾地区已经

广泛将镁合金应用于汽车和3C 产品上。同时镁是地球上第8富有的元素,它在地壳中的含量大约为1.93%,在海洋中的含量约为0.13%。在能源与原材料日渐枯竭的今天,开发镁合金材料已成为各国材料研究者的重要研究课题[3]。但是,镁是负电性很强的金属,具有很高的化学活泼性,电极电位很负

(-2.34V ),耐蚀性较差,在潮湿的空气、含硫气氛和海洋大气

中均会遭受严重的化学腐蚀。尤其是镁中的重金属杂质(例如铁、镍和铜等)的含量较高时更容易被腐蚀。在室温下,镁合金表面易形成的氧化膜疏松多孔,耐蚀性很差。所以它在很多应用

领域受到限制[425]。为了提高镁及其合金的耐腐蚀性,国内外科

技工作者主要围绕着镁合金材料表面改性作做了大量的研究工作,如对镁合金材料进行热喷涂、化学转化处理、阳极氧化处理、有机物涂层、电镀和化学镀,等等[5]。本文采用在镁合金AZ91D 表面电弧喷铝锌涂层的方法来提高镁合金的耐腐蚀能力。

1　试验设备与试验材料

1.1　试验设备

XDP 22型电弧喷涂机;W 22.10/5型空气压缩机。

1.2　试验材料

1)锌丝:<2mm,纯度大于99.5%;2)铝丝:<2mm,纯度大

于99.7%;3)本试验选取的母材为铸造镁合金AZ91D,其化学成分详见表1。

表1　AZ 91D 镁合金的化学成分[5]

元素

A l

Zn

Mn

Si

Cu

N i

Fe

杂质Mg

质量分数/%8.3～9.70.35～1.00.15～

0.5

0.10.030.0020.0050.02余量

第35卷　第6期表　面　技　术

Vol .35　N O.6　2006年12月

SURFACE TECHNOLO GY

D ec .2006　

2　试样制备及分析测试

2.1　试样制备

1)试件表面预处理　喷涂前基体表面的预处理是关系到

涂层性能优劣的重要一环,其中包括除油、除锈及粗化处理。本试验采用表面喷砂粗化,磨料为碳化硅颗粒。

2)喷涂工艺　采用XDP 22型电弧喷涂机将一根纯铝丝材

和一根纯锌丝材混合喷涂在基体表面,丝材直径为2mm,涂层厚度小于0.5mm 。喷涂工艺参数为:电压27V,电流100～

120A,空气压力0.5M Pa,喷枪与工件垂直,工件与喷嘴之间距

离100mm 左右。

3)涂层的封孔处理　喷涂后由于涂层表面比较粗糙,为了

尽可能封闭涂层的孔隙并填平因喷涂颗粒产生的凹坑,需对涂层进行封孔处理。封孔剂采用空气干燥型酚醛树脂,采用无水

乙醇进行稀释,其体积比为1∶1～1∶2[5],使封孔剂自然固化,然

后切取试样备用。

2.2　分析测试

AZ91D 镁合金电弧喷涂铝锌涂层断面用SS X 2550型扫描电

镜进行表面形貌及微观组织观察;用HX 21型显微硬度计测量涂层的显微硬度;采用拉伸法测试涂层与基体的结合强度;采用中性盐雾试验测试涂层的耐蚀性。

3　试验结果及分析

3.1　涂层的组织

在AZ91D 镁合金表面电弧喷涂铝锌涂层,涂层和基体结合处的形貌如图1所示。由图1可以看出,涂层呈片层状,涂层和基体间是机械的结合方式。电弧喷涂时,熔化的喷涂材料粒子高速喷射到基体表面,同基体表面撞击产生变形后于基体表面相互镶嵌咬合在一起。由于在喷涂前对基体试样进行了表面喷砂处理,涂层与基体结合更加牢固,达到“锚固”效果

。

图1　涂层与基体结合部形貌(SE M ) 图2　涂层微观组织(SE M )

电弧喷涂是将丝材熔化后,用压缩空气高速喷射到镁合金表面,喷枪在基体上来回扫动,使熔化的铝、锌粒子高速喷射到基体表面,经空气冷却凝固,最后形成了涂层覆盖在镁合金表面。涂层的微观组织如图2所示,能谱分析结果见图3。图3a 为图2中的浅色组织,其主要成分为Zn,A l 含量较低;图3b 为深色组织的能谱分析,主要成分为A l,Zn 含量较低。由此可知深色的成份为铝粒,浅色为锌粒。由于Zn 丝材的熔点为

430℃,而A l 的熔点为660℃,熔点低的Zn 丝在喷涂过程中工艺

性能较好,熔滴沉积后,铺展性能较好,进而形成较平直细密的层状组织[6]。涂层虽然是按A1、Zn 体积比1∶1喷涂的,但由于铝粒子熔化温度较高,在高温下形成大熔滴易产生飞溅,其铺展

性能低于锌,相对而言熔融的颗粒铺展开后锌的厚度应小于铝的厚度,又A l 、Zn 质量比为1∶3,Zn 的总质量分数大,所以在A l 2

Zn 涂层显微组织形貌的观察中锌颗粒所占的面积更大一些,并

且锌粒分布的连续性高于铝粒,如图2所示

。

图3　涂层能谱分析

两者结合处较亮的部分为铝锌合金,较暗和孔状部分为氧化物等,因此可以断定涂层中组织存在2种类型:一种是熔融或半熔融状态的A l 、Zn 颗粒,空中相撞,接触表面形成冶金结合,结合面两侧分别为铝、锌粒子;另一种是在空中凝固的A l 、Zn 粒子相撞形成机械结合。冶金结合处的组织是A l 2Zn 合金,机械结合处的组织是A l 2Zn “伪合金”。

3.2　涂层的性能

对试样分别进行显微硬度、拉伸及耐蚀性试验。

1)显微硬度　AZ91D 试样表面电弧喷涂的铝锌涂层的表

面硬度达到62.23HV 。

2)抗拉强度　涂层与基体的结合强度可达到10.23MPa,

断口处涂层和基体结合面无剥离和开裂。

3)耐腐蚀性试验　电弧喷涂铝锌涂层表面经封闭处理后,

按G B6458286标准进行中性盐雾试验,经过72h 腐蚀后,表面仍完整无损。

4　结　论

1)AZ91D 镁合金表面电弧喷涂可获得良好的热喷涂涂层。2)AZ91D 镁合金表面电弧喷涂铝锌涂层和基体结合良好,

并具有良好的硬度和耐腐蚀性能。

[

参考文献]

[1]　陆文华,李隆胜,黄良余.铸造合金及其熔炼[M ].北京:机械工业

出版社,1997.3782380

[2]　蒋百灵,吴国建,张淑芬,等.镁合金微弧氧化陶瓷层生长过程及

微观结构的研究[J ].材料热处理学报,2002,23(1):527

[3]　李卫平,朱立群.镁及其合金表面防护性涂层国外研究进展[J ].

材料保护,2005,38(2):41245

[4]　蒲以明,张志强,杜荣.镁及镁合金表面处理初探[J ].铝加工,

2002,25(4):32236

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研究[J ].机械工程材料,2005,29(3):29231

[6]　刘宪军,陈字刚,徐滨士,等.电弧喷涂制模涂层的显微组织结构

和硬度分析[J ].大连铁道学院学报,1997,18(1):78283

曲明等　AZ91D 镁合金表面电弧喷涂铝锌涂层组织的研究