表面改性方法

镁合金表面熔覆改性技术

Surface Overlaying Modification Technology of Magnesium Alloys 摘要 评述了镁合金表面熔覆改性技术的国内外发展概况，着重介绍了热喷涂、激光熔覆及热喷涂+激光重熔复合熔覆3种处理工艺和熔覆涂层材料，提出采用热喷涂+激光熔覆合法熔覆工艺、镁合金表面熔覆非晶合金以及熔覆高熔点涂层是提高镁合金表面性能的有效方法，具有良好的应用前景。

关键字：镁合金 表面改性 研究进展

Abstract: Recent developments of the application of surfacing overlaying modification technology of magnesium alloys are reviewed. The main treatment processes including thermal spraying, laser cladding and a two-step composite method, thermal spraying firstly then laser cladding, are introduced emphatically. Moreover, coating materials for surface modification of magnesium alloy are also summarized. It's pointed out that the composite technology of thermal spraying firstly then laser cladding, overlaying amorphous alloys coating and high melting point materials coating are effective methods of enhancing surface performance of magnesium alloys, which have good application prospects and are worth further studying.

Key words magnesium alloys, surface modification, research progresses 1 序言

镁合金因密度低.比强度、比刚度高.电磁屏蔽性好.减震性好.以及优良的切削加工性能.在航空、汽车和电子通讯等行业中得到广泛的应用。但是镁的化学稳定性低.电极电位很负（-2.34V）耐蚀性差.月_镁合金的耐磨性、硬度及耐高温性能也较差.在某种程度上制约了镁合金材料的广泛应用。因此.如何提高镁合金的耐磨、耐腐蚀及耐热等综合性能已成为当今镁合金材料研究、发展的重要课题。有效的途径之一是对镁合金表而进行表而改性处理.在基体材料的表而形成相应的保护层。

日前，镁合金表而处理上要有化学转化、阳极氧化、表而渗层、表而电镀等方法这些方法都存在一些局限性.要么对环境有较人污染.要么所制得的涂层厚度、致密性有限而不能够有效保护。然而采用表而熔覆改性处理.如热喷涂、激光熔覆等方法.就可以克服以上不足.既环保又满足使用性能。本文综述了近年来国内外镁合金表而熔覆改性处理技术和熔覆涂层材料的发展概况。 2 镁合金表面熔覆工艺

2.1 热喷涂工艺

热喷涂技术几乎适用各种材料对零件表而的喷涂.对零件的尺寸大小及形

状不受限制、被喷涂的零件表而热影响小，不易变形。热喷涂技术由德国人1882年发明.而真正意义的热喷涂技术是1910年在瑞士被V. Schoop博士研究出来.他发明了固定式坩锅熔融喷射装置。经过近1个世纪的发展.热喷涂技术发展得已相当成熟，相继出现了超音速火焰喷涂（HVO）、高速电弧喷涂（HVAS)、气体爆炸式喷涂和低压等离子弧喷涂等。

（1）火焰喷涂法 火焰喷涂法可制备各种金属、合金、陶瓷及塑料访层。是日前国内最常用的喷涂方法之一但是，由该方法制备的涂层孔隙度较大，与基体材料的结合强度也较低。

（2）爆炸喷涂法 爆炸喷涂法是一项技术难度较大、工艺性能较强的新技术，也是一种高能喷涂方法。与一般火焰喷涂相比，必须提供足够高的气体压力，以产生高达5倍于音速的焰流(1830m/s)气体的消耗量也很大。就氧气而言.通常是一般火焰喷涂的10倍。

（3）电弧喷涂法 对电弧喷涂法对各种金属材料都能喷涂，大量应用于防腐、耐磨等工程。目前.电弧喷涂法已经从一种粗糙的高喷涂效率技术演化为能以低成本生产具有高质量涂层的较为精密的手段。

（4）等离子喷涂 等离子喷涂是继火焰喷涂、电弧喷涂之后人力发展起来的一种喷涂新技术，近几年在我国发展较快。等离子技术中引人注目之处是设备的大容量化和高输出功率化，目前已商业化的气体等离子喷涂设备功率可达到200 kW以上，不但人人提高了喷涂效率，也使涂层质量更为改善。等离子喷涂涂层的致密度及与基体材料的结合强度均比火焰喷涂涂层和电弧喷涂涂层的高，而且也是制备陶瓷涂层的最佳工艺目前，采用等离子喷涂工艺制备纳米陶瓷涂层为热喷涂的一个研究热点。

随着镁合金的广泛应用.研究者们在镁合金表而热喷涂技术与扩散处理、时效处理等相结合方而展开了大量的研究，并取得了较好成效。梁水政等先用电弧喷涂在镁合金AZ91D表面形成铝防护层.再进行保温处理.使涂层和基体间发生扩散以增强铝与基体结合能力.获得了致密的、具有较好耐蚀性的喷铝层。黄伟九等采用热喷涂工艺在AZ91D镁合金表面制备了锌铝涂层，并分析了热扩散对锌铝涂层界面组织和性能的影响。结果表明，热扩散处理后，涂层与基体界面处形成由Mg2Zn2A1金属间化合物及其固溶体组成的扩散熔合区，涂层的显微硬度和耐磨性能均显著提高。冯亚如等采用等离子喷涂方法在AZ31镁合金表而制备一层Al65Cu23Fe涂层经T4和T6处理后.其涂层组织由θ相、富铜相和富铝相转变为θ+富Cu-β- Al-Cu, Fe相，涂层的硬度呈增加趋势，由热处理前的200.2 HV增加到304.5 HV，远高于基体AZ31合金的硬度。

1.2 激光熔覆工艺

激光表而处理技术是近几十年来迅速发展起来的一种材料表面改性技术。激

光熔覆技术具有以下的工艺特点：冷却快，产生快速凝固组织特征；热输入、畸变小.涂层稀释度低;材料消耗少;光束瞄准.能使难以接近的区域熔覆；合金层和基体可形成冶金结合;能在镁合金表面熔覆不锈钢等高熔点合金极大地改变了材料的表而性能。

按合金供应方式的不同.激光熔覆工艺可以分为两种，即合金预置法和合金同步送料法。预置法的主要缺点是效率低，且难以获得厚度均匀的涂层，故通常只在实验室采用。同步送料法的优点是工艺过程简单，对激光能量吸收率高，合金材料利用率高，参数控制灵活，可控性好，甚至可以直接形成复杂三维形状的部件，容易实现自动化，成为熔覆技术中的首选方法。

激光器是激光熔覆设备中的重要部分.提供加工所需的光能。对激光器的要求是稳定、可靠、能长期正常运行。目前适用于镁合金激光熔覆工艺的激光器主要是CO2和NDYAG激光器。激光熔覆工艺参数对涂层的组织及性能等有很大的影响其中激光功率和扫描速度最为显著。

1.3 热喷涂+激光重熔复合熔覆工艺

利用火焰喷涂+激光重熔在AZ91D镁合金进行了复合法熔覆Cu合金涂层的研究。先用火焰喷涂喷一层过渡层，接着马上喷涂Cu合金粉末，最后进行激光熔覆。过渡层采用Ni- Al自发热复合粉末，该粉末在温度升高时两种金属互相扩散，当温度升高到A1的熔点658oC时便发生强烈的放热反应。主要反应有：

±3Ni+Al=Ni3Al+Q Q=1538kJ l/mo

lNi+Al=NiAL+Q Q=134kJ/mo

除以上除以上两种主要的放热反应外，Ni和A1的氧化反应也会放出热量。粉末颗粒在火焰和放热反应的双重作用下，实际温度可以达到1200--16000C。如果枪距掌握恰当，粉末熔滴接触工件表而时的瞬间温度可达900 0C以上。在这种温度下，喷涂层与工件基体产生4种结合力，即机械结合、显微焊

接结合、金属键结合、显微扩散结合。这样结合层一方而与金属基体形成较强的结合，另一方而又为工作层粉末提供一个易于互相粘附、粗糙而清洁的“活性表面”。工作层喷涂的Cu合金粉末厚度约为0.4mm，截面的金相观察表明，该层与过渡层有微量的冶金结合现象。此时，对涂层表而进行XRD分析，结果表明合金涂层主要山Al0.9IV1.22:和CuO2金属化合物组成。激光重熔处理后，对截面进行金相观察表明，涂层与基体之间实现了良好的冶金结合对涂层表而进行XRD分析表明，涂层中形成了A1Ni3、Cu0.8Ni0.19等金属间化合物由于金属间化合物的高强、高硬和良好的抗腐蚀性，该涂层具有高的耐蚀性、硬度和耐磨性，有效地提高了镁合金的综合性能。

总结

表面熔覆可以细化镁合金的表层组织，改变镁合金的表面结构，在镁合金表而引入高硬度、高耐蚀性及高熔点的元素，形成表而性能优异的强化层。激光熔覆涂层与基体的稀释较多，形成了牢固的冶金结合。而热喷涂涂层对基体稀释很少，涂层疏松多孔。激光熔覆涂层对基体的热影响较小，而热喷涂涂层对基体的热影响较人，容易引起基体工件的变形。热喷涂与激光熔覆敷复合法熔覆工艺结合了两种方法的优点，获得的涂层较厚、致密，对基体稀释很少，冶金结合牢固，是提高镁合金表而性能的有效方法，具有良好的应用前景。

目前.从国内外的研究现状看，还没有系统研究镁合金表面熔覆非晶合金以及熔覆高熔点涂层。陶瓷等高熔点涂层和非晶合金均具有较高硬度、极好的耐磨和耐蚀性，在镁合金表而熔覆非晶合金以及熔覆高熔点涂层不仅可以大大提高镁合金的耐磨耐蚀性，而月可促进镁合金的应用。因此，镁合金表而熔覆非晶合金以及熔覆高熔点涂层也值得我们大力研究。

参考文献

1

2

3

4

5

6 姚美意，周邦新，镁合金耐蚀表而处理的研究进展材料保护.2001.34 10:19 胡传析，张科，李晋炜，等，火焰喷涂法制备纳米改性陶瓷涂层.2001.8:44 何臣，侯书恩,纳米材料在纳米热喷涂中的应用.湖北汽车工业学院学报.2005.19.1:7 梁永政，郝远，杨贵荣，等.镁合金AZ91D表面电弧喷涂铝工艺的研究.机械工程材料.2005.29.3:29 黄伟久，李兆峰，等.热扩散对镁合金锌铝涂层界面组织和性能的影响.材料热处理学报.2007.28.2:106 冯亚如。张忠明，徐春杰，等，AZ31镁合金表面等离子喷涂Al65Cu23Fe12t

涂层的研究.铸造技术，2006.27.2:160