專利名稱：鎂合金表面致密厚防護層的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鎂合金的表面處理方法，尤其是一種在鎂合金表面形成一層致密
且厚的防護層的制備方法，具體地說是一種鎂合金表面致密厚防護層的制備方法。
背景技術：
眾所周知，鎂合金具有質量輕、比強度高、比剛度高、減震吸振性能好、電磁屏蔽 好、導熱性能優(yōu)越、切削加工性能好、易鑄造、生物相容性好、可無限地再利用等優(yōu)異性能， 在航空航天、武器裝備、交通工具(包括汽車、飛機、摩托車、自行車等)、3C、醫(yī)療器械等領 域具有廣闊的應用前景，但其硬度低、耐磨性和耐腐蝕性較差，嚴重地影響著它的使用，因 此近年來國內(nèi)外都十分重視鎂合金的表面改性即表面防護技術的開發(fā)。
鎂合金的表面改性技術較多，如電鍍、化學鍍、離子注入、氣相沉積、微弧氧化等， 但這些技術制備的防護層不是太薄就是不致密。到目前為止，尚沒有一種改性技術能在鎂 合金表面獲得致密、厚(有足夠的余量用于后續(xù)機械切削加工以提高表面光潔度等表面質 量)的表面防護層可供使用。 火焰噴焊是一種常用的對鋼鐵材料進行表面改性技術，它具有價廉、節(jié)能、高效、 靈活、所獲得的防護層厚且致密等特點，但在鎂合金表面上的應用尚未見到相關報道，并且 一般認為鎂合金基體上不適合采用火焰噴焊技術進行表面改性。造成上述情況的主要原因 是(1)鎂合金表面活性高，和氧的親和力很強，在鎂合金表面所形成的氧化鎂其負的自由 能很高，防護層中其他元素很難將其還原，在實施火焰噴焊過程中很難獲得清潔的表面，嚴 重影響著基體和防護層的結合性能；(2)由于火焰重熔的能量密度低、集膚效應小，在基體 和涂層的合金元素發(fā)生充分擴散以獲得好的冶金結合之前，鎂合金基材會由于溫升太高發(fā) 生嚴重氧化甚至燃燒。所以，火焰噴焊技術即火焰噴涂+火焰重熔技術不能獲得致密且厚 的防護層。但是與火焰重熔不同，激光重熔具有能量密度高、集膚效應大、加熱速度快等顯 著特性，因此，在火焰噴涂后采用激光重熔可以在鎂合金表面制備厚且致密的防護層。同 時，如果能夠通過一定的工藝措施，在火焰噴涂前對鎂合金表面進行活化處理，也可以克服 鎂合金表面容易氧化難以獲得清潔界面的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前鎂合金表面難以形成致密且厚的防護層而影響其性能 和用途的問題，發(fā)明一種將現(xiàn)有的各種表面處理方法進行有機結合并最終能得到厚度在 1. 5毫米以上的致密防護層的制備方法。
本發(fā)明的技術方案是 —種鎂合金表面致密厚防護層的制備方法，其特征是它主要包括以下步驟
( — )表面預處理； [ooog] ( 二 )火焰噴涂合金粉末；
(三)激光重熔噴涂層；
所述的表面預處理包括粗化處理和去氧鍍鋅活化處理二個步驟，粗化處理是采用 機械的方法使鎂合金表面滿足粗糙度Ra 25 12. 5的要求，以增加防護層與鎂合金的接觸 面從而提高兩者的咬合力；所述的去氧鍍鋅活化處理是指將經(jīng)過粗化處理的鎂合金置于氫 氟酸和六水硫酸鋅配成的水溶液中進行浸洗操作15 25秒，也可用氫氟酸和六水硫酸鋅 配成的水溶液擦洗粗化后的鎂合金表面至少一遍，以便去除鎂合金表面的氧化鎂，并形成 防止已清潔后的鎂合金再次氧化的鋅膜，此層鋅膜形成的氧化物在隨后防護層的制備過程 會被防護層中其他元素還原(如硅等)，從而保證了鎂合金和防護層具有清潔的結合界面；
所述的火焰噴涂合金粉末是指先將經(jīng)過預處理的鎂合金加熱至60 12(TC后利 用火焰噴涂法在其表面噴涂鋁硅合金保護層；然后再將帶有鋁硅合金保護層的鎂合金再次 加熱到150 20(TC后，再利用火焰噴涂法進行二次鋁硅合金粉末噴涂直到噴涂層厚度達 到1. 5mm以上； 所述的激光重熔噴涂層是指利用激光器對所述的火焰噴涂層進行激光重熔，激光 器的光斑直徑為3-5mm，掃描速度0. 1 lm/min，功率1250 1500W。
在激光掃描重熔的同時可通入少量氮氣或氬氣進行保護。 所述的水溶液中氫氟酸和六水硫酸鋅的含量為氫氟酸六40-60ml/L、六水硫酸鋅 為40-60g/L，余量為純水。 所述的火焰噴涂時的氧氣壓力為0. 4 0. 5MPa、氧氣流量為0. 65 0. 70mVh、乙 炔氣壓力為0. 07 0. 08MPa、乙炔氣流量為0. 55 0. 65mVh、鋁硅合金粉的送粉量1. 0 1. 4kg/h、噴粉距離為100 120mm。
本發(fā)明的有益效果 (1)本發(fā)明提供了一種在鎂合金表面制備致密厚防護層的工藝方法，其厚度達 1. 5mm以上，硬度達225 270HV(為基材的4. 5 4. 9倍)，基材與防護層間發(fā)生明顯的元 素擴散，防護層的成分(質量百分比)為33. 77 53. 35 A1-62. 04 40. 76 Mg_4. 19 5.89 Si，界面呈完全的冶金結合。 (2)本發(fā)明提供了一種在鎂合金表面去氧鍍鋅合二為一工藝，即在氫氟酸(50m1/ L)、六水硫酸鋅(50g/L)配成的水溶液中同時進行去氧和鍍鋅處理，避免了去氧和鍍鋅分 開進行時鎂合金表面出現(xiàn)的中途再次氧化。去氧鍍鋅大大提高了鎂合金在火焰噴涂時的抗 氧化能力及界面結合。 (3)本發(fā)明通過合理確定噴涂過程中的關鍵工藝參數(shù)，即采用了比一般的噴涂工
藝低的一次噴涂和二次噴涂的預熱溫度，有效地控制了鎂合金的溫升和氧化。 (4)本發(fā)明通過合理控制激光重熔工藝參數(shù)，使基材元素適量鎂進入涂層，在保證
防護層有小的凝固溫度范圍從而使其組織致密的同時，通過合金化大大提高了防護層的硬度。


圖l是本發(fā)明的鎂合金表面火焰噴涂Al-Si粉末合金、1500W激光重熔后所得防護 層的金相圖，圖1 (a)橫切面形貌及合金元素沿層深分布情況；圖1 (b)防護層的表面層組織 形貌及成分；圖l(c)防護層的硬度隨層深的變化。 圖2是本發(fā)明的鎂合金表面火焰噴涂Al-Si粉末合金、1250W激光重熔后所得防護層的金相圖，圖2 (a)橫切面形貌及合金元素沿層深分布情況；圖2 (b)防護層的表面層組織 形貌及成分；圖2(c)防護層的硬度隨層深的變化。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
實施例一。
如圖l-2所示。 —種鎂合金表面致密厚防護層的制備方法，它主要包括以下步驟
(1)工件表面預處理 粗化處理。采用砂紙、噴砂、機械切削或其他粗化方法使待噴表面的粗糙度達到所 需的合適粗糙度(Ra 25 12. 5)，以增加涂層與工件間接觸面從而提高防護層和基材的咬 合力，同時保證工件表面的潤濕性和防護層合金重熔時的流動性。 去氧鍍鋅活化處理。在氫氟酸(40-60ml/L)、六水硫酸鋅(40_60g/L)和余量的純 水(三者的總體積為l升)配成的水溶液中進行去氧鍍鋅活化處理，時間為15 25秒，若 由于條件限制不方便進行浸洗操作，可采用脫脂棉沾對應溶液進行擦拭，為火焰噴涂作好 準備。 (2)火焰噴涂 先將經(jīng)過預處理的工件預熱到60 12(TC后噴保護層( 一次噴涂)，然后二次加 熱到150 20(TC后噴涂合金粉末(二次噴涂)。二次噴涂所得的噴涂層的厚度不小于 1. 5mm。 (3)激光重熔 采用二氧化碳激光器重熔，其基本工藝參數(shù)為光斑直徑3-5mm，掃描速度 0. 5-lm/min，功率1250 1500W，通入少量氮氣或氬氣進行保護， 一方面通過重熔使表面防 護層更為致密，解決了長期以來無法解決的防護層的致密性問題，另一方面加速鎂向防護 層的滲透形成過渡層，提高防護層與基材的結合力，得到高厚度、高結合強度和高密度的表 面滲透有鎂的鋁硅合金涂層。 以下是本發(fā)明的兩個更為具體的實施例，對本領域的技術人員而言，可根據(jù)實施
例所述的方法改變相關的參數(shù)進行多種方式的實施。 實施例二。 基材-一AZ91D鎂合金，噴涂材料-一 含Si量12% (質量百分比)的Al-Si粉末 合金，噴涂設備-一 上海瑞法噴涂機械有限公司生產(chǎn)的SPH-2/h噴涂槍，重熔設備-一 上海 團結普瑞瑪激光設備有限公司生產(chǎn)的SLCF-X12*25型激光器。按實施例一中所述的步驟先 進行表面預處理，然后進行一次火焰噴涂和二次火焰噴涂，最后進行激光重熔，具體的噴涂 基本工藝參數(shù)為氧氣壓力0. 4 0. 5MPa、氧氣流量0. 65 0. 70m3/h、乙炔氣壓力0. 07 0. 08MPa、乙炔氣流量0. 55 0. 65mVh、送粉量1. 0 1. 4kg/h、噴粉距離100 120mm、一 次噴涂預熱溫度60 12(TC、二次噴涂預熱溫度150 20(TC。激光重熔基本工藝參數(shù)光 斑直徑4mm，掃描速度0. 5m/min，功率1250W，通入少量氮氣進行保護。 采用上述工藝制備所得的防護層厚度1. 7mm(圖la)、組織致密(圖la和圖lb)、 基材和涂層的元素均發(fā)生明顯擴散(圖la)，基材鎂元素擴散直到防護層頂部(圖lb)，防
5護層的成分(質量百分比)為53.35 Al-40.76 Mg_5. 89 Si (與此成分對應的合金其凝固 溫度范圍很小，保證了合金致密性)，防護層硬度高(225HV，為基材的4.5倍)且在防護層 厚度方向變化不大。
實施例三。 基材-一AZ91D鎂合金，噴涂材料-一 含Si量12% (質量百分比)的Al_Si粉末 合金，噴涂設備-一 上海瑞法噴涂機械有限公司生產(chǎn)的SPH-2/h噴涂槍，重熔設備-一 上海 團結普瑞瑪激光設備有限公司生產(chǎn)的SLCF-X12*25型激光器。按實施例一中所述的步驟 先進行表面處理，然后進行一次火焰噴涂和二次火焰噴涂，最后進行激光重熔，具體的噴涂 基本工藝參數(shù)為氧氣壓力0. 4 0. 5MPa、氧氣流量0. 65 0. 70m3/h、乙炔氣壓力0. 07 0. 08MPa、乙炔氣流量0. 55 0. 65mVh、送粉量1. 0 1. 4kg/h、噴粉距離100 120mm、一 次噴涂預熱溫度60 12(TC、二次噴涂預熱溫度150 20(TC。激光重熔基本工藝參數(shù)光 斑直徑4mm，掃描速度0. 5m/min，功率1500W，通入少量氮氣進行保護。 采用上述工藝制備的防護層厚度2. Omm(圖2a)、組織致密(圖2a和圖2b)、基材 和涂層的元素均發(fā)生明顯擴散(圖2a)，基材鎂元素擴散直到防護層頂部(圖2b)，防護層 的成分(質量百分比)為33. 77A1-62. 04Mg_4. 19Si (與此成分對應的合金其凝固溫度范圍 非常小，保證了合金致密性)，防護層硬度高(270HV，為基材的4.9倍)且在防護層厚度方 向變化不大。 本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
權利要求
一種鎂合金表面致密厚防護層的制備方法，其特征是它主要包括以下步驟(一)表面預處理；(二)火焰噴涂合金粉末；(三)激光重熔噴涂層；所述的表面預處理包括粗化處理和去氧鍍鋅活化處理二個步驟，粗化處理是采用機械的方法使鎂合金表面滿足粗糙度Ra 25～12.5的要求，以增加防護層與鎂合金的接觸面從而提高兩者的咬合力；所述的去氧鍍鋅活化處理是指將經(jīng)過粗化處理的鎂合金置于氫氟酸和六水硫酸鋅配成的水溶液中進行浸洗操作15～25秒，也可用氫氟酸和六水硫酸鋅配成的水溶液擦洗粗化后的鎂合金表面至少一遍，以便去除鎂合金表面的氧化鎂，并形成防止鎂合金再次氧化的鋅膜，此層鋅膜形成的氧化物在隨后防護層的制備過程會被防護層中的元素還原，從而保證了鎂合金和防護層具有清潔的結合界面；所述的火焰噴涂合金粉末是指先將經(jīng)過預處理的鎂合金加熱至60～120℃后利用火焰噴涂法在其表面噴涂鋁硅合金保護層；然后再將帶有鋁硅合金保護層的鎂合金再次加熱到150～200℃后，再利用火焰噴涂法進行二次鋁硅合金粉末噴涂直到噴涂層厚度達到1.5mm以上；所述的激光重熔噴涂層是指利用激光器對所述的火焰噴涂層進行激光重熔，激光器的光斑直徑為3-5m，掃描速度0.1～1m/min，功率1250～1500W。
2. 根據(jù)權利要求1所述的鎂合金表面致密厚防護層的制備方法，其特征是在激光掃描 重熔的同時通入少量氮氣或氬氣進行保護。
3. 根據(jù)權利要求1所述的鎂合金表面致密厚防護層的制備方法，其特征是所述的水溶 液中氫氟酸和六水硫酸鋅的含量為氫氟酸六40-60ml/L、六水硫酸鋅為40-60g/L，余量為 純水。
4. 根據(jù)權利要求1所述的鎂合金表面致密厚防護層的制備方法，其特征是所述的火焰 噴涂時的氧氣壓力為0. 4 0. 5MPa、氧氣流量為0. 65 0. 70m3/h、乙炔氣壓力為0. 07 0. 08MPa、乙炔氣流量為0. 55 0. 65mVh、鋁硅合金粉的送粉量1. 0 1. 4kg/h、噴粉距離 為100 120mm。
全文摘要
一種鎂合金表面致密厚防護層的制備方法，該方法由表面預處理、火焰噴涂合金粉末、激光重熔等步驟組成。增加了去氧鍍鋅的表面預處理工序，合理確定了關鍵工藝參數(shù)，具體為去氧鍍鋅所用溶液為氫氟酸(50ml/L)、六水硫酸鋅(50g/L)配成的水溶液，時間為15～25秒；火焰噴涂的一次噴涂和二次噴涂其預熱溫度分別為60～120℃和150～200℃；激光重熔的激光功率為1250～1500W，掃描速度為500mm/min，光斑直徑為4mm。通過火焰噴涂鋁硅合金粉末和激光重熔制備得到的防護層其厚度達1.5mm以上，其組織致密、無氣孔等缺陷，其硬度達225～270HV(為基材的4.5～4.9倍)且在防護層厚度方向變化不大，其成分(質量百分比)為33.77～53.35Al-62.04～40.76Mg-4.19～5.89Si，其界面呈冶金結合。
文檔編號C23C4/18GK101693986SQ20091023293
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權日2009年10月19日
發(fā)明者夏登福, 張潔, 王宏宇, 程曉農(nóng), 許曉靜, 郝欣妮 申請人:江蘇大學;