專利名稱：一種降低鎂合金表面噴涂涂層擴(kuò)散溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬表面納米化和涂層擴(kuò)散熱處理技術(shù)，尤其是指鎂合金表面噴 鋁、噴鋅以及鋅鋁涂層擴(kuò)散溫度降低的技術(shù)，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎂合金耐蝕性差，人們采用了各種涂層保護(hù)以使鎂合金基體免遭腐蝕介質(zhì)的浸蝕。 目前普遍采用陽極氧化處理、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、電鍍、環(huán)氧樹脂密封、油漆、搪瓷等，這 些表面處理的涂層較薄，耐蝕性受到一定限制，電鍍和陽極氧化均存在受設(shè)備尺寸限制 和排除廢液的問題。因此，世界各國相繼開展了鎂合金表面等離子微弧陽極氧化、激光 表面熱處理和激光表面合金化以及物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)或電子束 蒸發(fā)等表面處理方法的研究。這些現(xiàn)代的鎂合金表面改性技術(shù)利用設(shè)備優(yōu)勢可以得到比 傳統(tǒng)表面處理優(yōu)異的防蝕層，但除微弧陽極氧化只須簡單的電源(但要求高電壓和高電 流，生產(chǎn)成本高)以外，其它技術(shù)均須特殊的昂貴設(shè)備或需在真空等苛刻的條件下進(jìn)行， 除航空航天或軍事等高附加值領(lǐng)域的特殊部件采用這些技術(shù)外，其市場前景受到了一定 限制。而微弧氧化涂層雖然與基體結(jié)合好，但表面硬的陶瓷層很容易在隨后的裝配或上 螺絲的過程中局部脫落， 一旦鎂合金表面有新鮮表面出現(xiàn)，則會形成原電池的兩個(gè)極， 這樣會加速鎂合金的腐蝕。本申請人已申報(bào)了一項(xiàng)發(fā)明專利"一種提高鎂合金耐蝕性的表面處理方法"，公開 號CN1737212，利用熱噴涂方法在鎂合金表面進(jìn)行鋁、鋁鋅涂層的制備，同時(shí)進(jìn)行相 應(yīng)的擴(kuò)散處理，以提高耐蝕性。熱噴涂由于操作簡單，設(shè)備要求不高，目前在汽車等工 業(yè)領(lǐng)域中已普遍應(yīng)用，而且鋁的耐蝕性好，鋁涂層在鎂合金的回收中也沒有任何副作用， 因而，在鎂合金上噴涂鋁涂層具用廣闊的應(yīng)用前景。但是，鎂合金表面噴涂鋁涂層必須 經(jīng)過擴(kuò)散熱處理，形成冶金結(jié)合才能有效的提高耐蝕性，而目前鎂鋁形成冶金結(jié)合所必 須的擴(kuò)散熱處理溫度都必須在43(TC左右，這樣的高溫會有損于鎂合金基體的其他性能。發(fā)明內(nèi)容針對上述的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于表面納米化降低鎂合金表面噴涂 涂層擴(kuò)散溫度的方法，采用表面納米化技術(shù)不僅可以降低鎂合金表面涂層的擴(kuò)散溫度，
而且可以取消噴涂前所必須的噴砂預(yù)處理工藝，無需特殊的工藝步驟，既去除了基體表 面的氧化皮和粗化表面，也使鎂合金基體表面生成一層納米晶，從而可以節(jié)約噴涂前的 處理時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下首先，在對鎂合金表面進(jìn)行熱噴涂鋁涂層前，先對清洗干凈的鎂合金表面進(jìn)行表面 納米化處理，使鎂合金表面晶粒細(xì)化至納米尺寸，并去除鎂合金表面的氧化皮和粗化以 增強(qiáng)涂層與基體的機(jī)械鉚合結(jié)合力。然后，在表面納米化鎂合金基體表面熱噴涂鋁或鋅或鋅鋁復(fù)合涂層，噴涂的工藝參 數(shù)是空氣壓力0. 5—1. 2Mpa，氧氣壓力0. 2—0. 6MPa，乙炔壓力0. 04—0.10Mpa。最后，將噴涂后的試樣放進(jìn)普通熱處理爐中在200'C—40(TC下保溫處理， 一般0.5 —4h，促使涂層與基體形成冶金結(jié)合，試樣取出后空冷至室溫。表面納米化是近幾年才出現(xiàn)的一種新概念，它是指利用各種物理、化學(xué)的方法在材料表面制備出納米晶粒結(jié)構(gòu)的表層，從而提高表面各種性能如耐疲勞、耐磨損和耐腐蝕 性能等。在材料表面獲得納米結(jié)構(gòu)表層主要途徑有三種表面涂覆或沉積方法、表面自 身納米化方法和混合納米化方法。這里的表面自身納米化方法主要是通過各種機(jī)械方法，如表面機(jī)械研磨、高能噴丸、 超聲噴丸和超音速顆粒轟擊等使材料表面迅速產(chǎn)生強(qiáng)烈的大量塑性變形促使表面晶粒 破碎并逐漸細(xì)化到納米級。這些方法是納米處理的通常方法，只是處理的工藝參數(shù)要做 一定控制，如采用高能噴丸納米化處理，是在常溫下進(jìn)行的，處理時(shí)間為5—30min，彈 丸材料是不銹鋼，直徑為l一l. 5mm，顆粒速率是100—200m/s。超音速顆粒轟擊法(SSPB) 是采用氧化鋁顆粒，直徑為20-50 n m,壓縮空氣壓力2-3MPa,空氣溫度40-5(TC 。目前，這種通過強(qiáng)烈塑性變形誘發(fā)表面納米化的研究主要集中在其制備技術(shù)、表面 納米化機(jī)理的基礎(chǔ)研究方面，在其應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面也僅僅在純鐵和鋼上進(jìn)行了表面納 米化后滲氮化學(xué)熱處理。對鎂合金表面進(jìn)行納米化處理后，可以有效降低鎂合金表面噴鋁涂層擴(kuò)散溫度，原 理如下首先，通過表面機(jī)械研磨、高能噴丸、超聲噴丸和超音速顆粒轟擊等使鎂合金表面 產(chǎn)生納米晶后，增加表面晶粒的比表面積和晶界體積分?jǐn)?shù)，提高晶粒的表面自由能，從 而在相同的溫度條件下，表面納米化的鎂合金表面原子比未納米化的鎂合金表面原子具 有更高的能量，擴(kuò)散的動力也更大。
其次，由于表面納米化的鎂合金表面原子具有大量的非平衡晶界，可以作為噴鋁涂 層中的鋁向基體鎂擴(kuò)散的動力源和快速通道，從而提高鋁涂層或鋅涂層或鋁鋅復(fù)合涂層 向鎂基體的擴(kuò)散速率，置換/間隙型原子擴(kuò)散能力顯著提高，通過原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)亞穩(wěn)非 平衡新相的形成。最后，通過表面納米化可以使鎂合金中P第二相細(xì)化和改變其分布形貌，并且可能 增加鋁在鎂中的固溶極限，從而在相同的溫度下，鎂合金表層可以溶解更多的鋁原子， 換句話說在相同固溶極限下，納米化后的表層所處的溫度就有可能比未納米化處理時(shí)的 溫度低。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于充分利用熱噴涂方法的操作簡單，設(shè)備要求不高，易于普及應(yīng)用， 鋁、鋅涂層耐蝕性高和在鎂合金的回收中也沒有任何副作用等特點(diǎn)，結(jié)合表面納米化技 術(shù)實(shí)現(xiàn)鎂合金耐蝕性提高和表面噴涂涂層擴(kuò)散溫度的降低。 一方面，表面納米化可以代 替常規(guī)熱噴涂前噴砂預(yù)處理，去除氧化皮和粗化表面提高涂層與基體之間的結(jié)合力，因 而，表面納米化技術(shù)無需特殊的工藝步驟，不影響生產(chǎn)效率。另一方面，表面納米化可 以在基體表面產(chǎn)生納米晶，提高鎂原子和鋁原子互擴(kuò)散的能力，降低鋁涂層的擴(kuò)散溫度， 從而不影響鎂合金基體的其他性能。表面納米化后其硬度有所增加，自腐蝕電位得到提 高。


圖1是熱噴涂前表面納米化后試樣表面形貌2是表面納米化以及在不同溫度擴(kuò)散的衍射譜圖3是擴(kuò)散前涂層與基體結(jié)合層截面形貌4是未納米化處理鎂合金基體熱噴涂鋁涂層并在400°C圖5是40(TC擴(kuò)散處理后涂層與基體結(jié)合層截面形貌圖 圖6是AZ31變形鎂合金表面納米化組織形貌圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例1表面納米化AZ91D鑄態(tài)鎂合金表面噴涂鋁涂層及擴(kuò)散處理 首先，將AZ91D鑄態(tài)鎂合金試樣在SiC砂紙上粗磨，使其表面光滑平整無油漬，對 清洗后的試樣表面進(jìn)行納米化處理，具體是采用高能噴丸表面納米化處理，在常溫下進(jìn) 行的，處理時(shí)間為30min，彈丸材料采用不銹鋼，直徑為1.5mra,顆粒速率是180m/s。通 過該處理使鎂合金表面晶粒細(xì)化至納米尺寸，并去除鎂合金表面的氧化皮和粗化以增強(qiáng) 涂層與基體的機(jī)械鉚合結(jié)合力。其處理后的表面形貌如圖l所示，可見在表面100um以 內(nèi)由于形成了納米晶涂層與基體的腐蝕情況差異造成了涂層與基體顏色的差異。經(jīng)X射 線衍射分析其表面晶粒大小平均為24. 1納米。圖2顯示了表面納米化處理后在不同溫 度擴(kuò)散的衍射譜，可見經(jīng)加熱擴(kuò)散后其衍射峰發(fā)生移動，衍射譜線由粗化變得尖銳細(xì)化， 說明有了納米晶的回復(fù)長大。然后，在試樣表面納米化后，在其表面熱噴涂鋁涂層，噴涂工藝參數(shù)為空氣壓力 0.8MPa，氧氣壓力0.4MPa,乙炔壓力0.07MPa，其截面形貌如圖3所示。最后，將噴涂后的試樣放在普通熱處理爐中在40(TC下保溫處理3h，進(jìn)行擴(kuò)散處理， 促使涂層與基體形成冶金結(jié)合，取出后空冷至室溫。試樣在40(TC熱擴(kuò)散處理后的截面 形貌如圖4所示，從圖中可以看出，在涂層與基體之間形成了新物質(zhì)，說明它們之間形 成了冶金結(jié)合。對比未進(jìn)行表面納米化處理，而是進(jìn)行一般的噴砂前處理，后續(xù)工藝完 全相同下噴涂鋁涂層在40(TC熱擴(kuò)散后的截面5，可見噴涂涂層與基體鎂沒有形成 新相，擴(kuò)散不明顯。而經(jīng)納米化處理后的試樣鎂基體與涂層有非常明顯的擴(kuò)散，同時(shí)產(chǎn) 生了成分比例為Mg2Al新相。實(shí)施例2:表面機(jī)械研磨法(SMAT)對鎂合金表面納米化后噴涂鋁涂層及擴(kuò)散處理首先，對AZ31變形鎂合金表面進(jìn)行預(yù)處理，過程與實(shí)例1相同。采用表面機(jī)械研 磨法(SMAT)對清洗后鎂合金試樣進(jìn)行表面納米化處理，處理工藝參數(shù)為不銹鋼彈丸， 直徑為8mm，振動頻率20kHz，時(shí)間60min。試樣表面納米化后，在其表面熱噴涂鋁涂層，噴涂工藝參數(shù)空氣壓力0.7MPa，氧氣壓 力0.5MPa,乙炔壓力0.05MPa，最后，將噴涂后的試樣放在普通熱處理爐中在30(TC下保溫 處理4h，進(jìn)行擴(kuò)散處理，促使涂層與基體形成冶金結(jié)合，取出后空冷至室溫。由圖6可見，保溫處理后涂層與基體之間發(fā)生了互擴(kuò)散，說明涂層與基體之間形成 冶金結(jié)合。實(shí)施例3:表面超聲噴丸法(UUSP)對鎂合金表面噴涂鋁涂層及擴(kuò)散處理首先，對AM60變形鎂合金試樣表面進(jìn)行預(yù)處理，過程與實(shí)例1相同。采用表面超聲噴丸法(UUSP)對清洗后的鎂合金試樣進(jìn)行表面納米化處理，處理工藝參數(shù)為不銹鋼彈丸，直徑為3咖，振動頻率20kHz,時(shí)間1 5min。待試樣表面納米化后，在其表面熱噴涂鋁涂層，噴涂工藝參數(shù)空氣壓力O.eMPa，氧氣壓力0.5MPa,乙炔壓力0.06MPa，最后，將噴涂后的試樣放在普通熱處理爐中在250'C下保溫處理4h，進(jìn)行擴(kuò)散處理，促使涂層與基體形成冶金結(jié)合，取出后空冷至室溫。
保溫處理后涂層與基體之間同樣發(fā)生互擴(kuò)散，形成冶金結(jié)合。 實(shí)施例4:超音速顆粒轟擊法(SSPB)對AM50鑄造鎂合金表面噴涂鋁涂層及擴(kuò)散處理 首先，對AM50變形鎂合金試樣表面預(yù)處理過程與實(shí)施例1相同； 然后，采用超音速顆粒轟擊法(SSPB)對鎂合金試樣進(jìn)行表面納米化處理，處理工藝 參數(shù)為氧化鋁顆粒，直徑為50pm，壓縮空氣壓力3MPa，空氣溫度50'C，時(shí)間3min。 試樣表面納米化后，在其表面熱噴涂鋁涂層，噴涂工藝參數(shù)與上述實(shí)施例l相同。最后，將噴涂后的試樣放在普通熱處理爐中在40(TC下保溫處理2.5h，進(jìn)行擴(kuò)散處 理，促使涂層與基體形成冶金結(jié)合，取出后空冷至室溫。保溫處理后涂層與基體之間發(fā)生了互擴(kuò)散，得到了與實(shí)例1相似的結(jié)果。
權(quán)利要求
1、一種降低鎂合金表面噴涂涂層擴(kuò)散溫度的方法，其特征在于首先，在對鎂合金基體表面進(jìn)行熱噴涂涂層前，先對清洗干凈的鎂合金表面進(jìn)行納米化處理，使鎂合金表面晶粒細(xì)化至納米尺寸，并去除鎂合金表面的氧化皮和粗化以增強(qiáng)涂層與基體的機(jī)械鉚合結(jié)合力；然后，在表面納米化鎂合金基體表面熱噴涂鋁或鋅或鋅鋁復(fù)合涂層；最后，將噴涂后的試樣放進(jìn)普通熱處理爐中在200℃-400℃下保溫處理，促使涂層與基體形成冶金結(jié)合，試樣取出后空冷至室溫。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低鎂合金表面噴涂涂層擴(kuò)散溫度的方法，其特征在于 對鎂合金基體表面的納米化處理可采用表面機(jī)械研磨、高能噴丸、超聲噴丸和超音速顆 粒轟擊方式。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的降低鎂合金表面噴涂涂層擴(kuò)散溫度的方法，其特征在于-所述高能噴丸納米化處理是在常溫下進(jìn)行，處理時(shí)間為5—30min,彈丸材料為不銹鋼， 直徑為1 — 1. 5咖，顆粒速率是100—200m/s。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的降低鎂合金表面噴涂涂層擴(kuò)散溫度的方法，其特征在于所述超音速顆粒轟擊納米化處理是采用氧化鋁顆粒，直徑為20-50!xm，壓縮空氣壓力 2-3MPa,空氣溫度40-50°C,時(shí)間2-3min。
5、 、根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的降低鎂合金表面噴涂涂層擴(kuò)散溫度的方法， 其特征在于所述熱噴涂鋁或鋅或鋅鋁復(fù)合涂層的噴涂工藝參數(shù)是空氣壓力0.5— 1.2Mpa,氧氣壓力0.2—0.6MPa,乙炔壓力0.04—0. lOMPa。
全文摘要
本發(fā)明提出一種降低鎂合金表面噴涂涂層擴(kuò)散溫度的方法，首先，在對鎂合金基體表面進(jìn)行熱噴涂涂層前，先對鎂合金表面進(jìn)行納米化處理，使鎂合金表面晶粒細(xì)化至納米尺寸，并去除鎂合金表面的氧化皮和粗化以增強(qiáng)涂層與基體的機(jī)械鉚合結(jié)合力；然后再熱噴涂鋁或鋅或鋅鋁復(fù)合涂層；最后在普通熱處理爐中200℃-400℃下保溫處理，促使涂層與基體形成冶金結(jié)合。本方法采用表面納米化技術(shù)不僅可以降低鎂合金表面涂層的擴(kuò)散溫度，而且可以取消噴涂前所必須的噴砂預(yù)處理工藝，無需特殊的工藝步驟，既去除了基體表面的氧化皮和粗化表面，也使鎂合金基體表面生成一層納米晶，從而可以節(jié)約噴涂前的處理時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。
文檔編號C23C4/06GK101161853SQ20071009248
公開日2008年4月16日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月27日
發(fā)明者津 張, 楊棟華, 歐信兵, 瑩 王, 麻彥龍, 龔喜兵 申請人:重慶工學(xué)院