鎂合金表面冷噴涂420不銹鋼/WC-17Co涂層及其耐磨耐蝕性能

陳 杰, 宋 惠, 戴 宇, 馬 冰, 鄭子云, 賈 利

（中國兵器科學研究院寧波分院 焊接與表面再制造技術研究室，浙江 寧波 315103）

鎂合金是一種輕質的金屬結構材料，具有比強度高、彈性模量小、剛性好、電磁屏蔽性好等優點，在航空航天、兵器裝備等工業領域有著廣泛的應用，但鎂合金的硬度較低，耐磨性、耐腐蝕性及耐高溫性較差。因此，積極探索鎂合金表面處理工藝，有效提高鎂合金的耐磨、耐腐蝕等綜合性能，對于推動鎂合金在軍、民高端裝備輕量化領域的應用有著重要的意義[1-3]。冷噴涂技術作為一種近年來迅猛發展的新型噴涂工藝，通過Laval噴管加速氣體和固相顆粒，使粒子獲得較高的速度撞擊基體表面，進而發生劇烈塑性變形而形成涂層。與傳統熱噴涂工藝相比，該技術最大的特點是避免了高溫熱源對粒子和基體的影響，同時，制備的涂層還具有內應力小、孔隙率低、硬度高和大厚度等優點。因此，冷噴涂工藝已成為在鎂合金表面制備耐磨、防腐涂層最有效的方法之一[4-5]。

不銹鋼具有良好的耐磨、耐腐蝕等優點，是涂層領域重要的表面強化材料之一。國內外學者對冷噴涂不銹鋼涂層的制備工藝和性能做了廣泛的研究[6-8]。中科院金屬所熊天英[9]系統研究了316L不銹鋼單顆粒沉積行為與基體材料力學性能的關系。Barcelona大學Guilemany[10]通過冷噴涂技術在7075-T6鋁合金表面制備了316L不銹鋼涂層。相比于316L等奧氏體不銹鋼，馬氏體不銹鋼憑借其較高的強度、表面硬度、耐磨性及耐蝕，性，廣泛應用于航天航空和機械制造等領域。因此，針對軍、民高端裝備中服役的鎂合金材料對高性能耐磨和防腐涂層的需求，本工作通過選擇合適的420噴涂粉末和工藝參數，通過冷噴涂技術在鎂合金表面成功制備了420不銹鋼涂層，同時，進一步考察了WC-17Co的加入對420不銹鋼涂層的耐磨性和耐蝕性的影響，最終在鎂合金表面獲得具有優異耐磨和耐蝕性能的冷噴涂防護涂層。

1 實驗材料與方法

實驗所用材料為AZ80鎂合金，噴涂粉末采用Sandvik Osprey公司的420馬氏體不銹鋼粉末，WC-17Co粉末由章源鎢業有限公司提供，混合噴涂粉末中420不銹鋼和WC-17Co的質量分數為65%和35%。冷噴涂采用Kinetic 4000冷噴涂系統，以氮氣為工作氣體，所采用的冷噴涂工藝參數為：氣體溫度800 ℃、噴涂壓力3.5 MPa、噴涂距離20 mm、粉末進給率 2.0 r/min。

采用 FEI Quanta 250 FEG 場發射掃描電鏡對噴涂粉末和涂層的形貌結構進行表征。采用Philips X’Pert X 射線衍射儀分析涂層相組成。采用401MVSD型顯微硬度計對涂層進行顯微硬度測試，加載為 4.9 N，加載時間為 15 s，每個試樣測量10個點。采用黏結拉伸法依照ASTM C633-01標準，測定兩種涂層的結合強度。采用Rtec多功能摩擦磨損試驗機考察鎂合金基材和涂層的摩擦學性能，摩擦方式為往復式球盤接觸，測試條件為：室溫、對偶球為6 mm的SiC球、載荷30 N、往復頻率2 Hz、實驗時間20 min。電化學實驗在Zahner IM6電化學工作站上進行，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片，試樣測試面積為 10 mm × 10 mm，腐蝕介質為3.5%的NaCl溶液，極化曲線的掃描速率為 0.5 mV/s。

2 結果與分析

圖1為420不銹鋼和WC-17Co喂料粉末的SEM形貌。420不銹鋼粉末由氣霧化方法制備，呈球形形貌，粉末的粒徑分布為10～50 μm，WC-17Co粉末由WC顆粒和黏結相Co團聚燒結而形成，粉末的粒度為10～30 μm，兩種粉末都符合冷噴涂工藝對粉末粒度和形貌的要求。

圖1 噴涂粉末的 SEM 形貌 （a）420 不銹鋼；（b）WC-17CoFig.1 SEM morphology of feedstock powder （a）420 stainless steel;（b）WC-17Co

圖2給出了冷噴涂420不銹鋼涂層和420/WC-17Co涂層的截面SEM形貌。從圖2（a）可以看出，420不銹鋼涂層的截面呈現極其致密的結構，截面照片中沒有任何明顯的孔隙及裂紋，且與鎂合金基材界面結合處非常致密，噴涂粉末顆粒發生明顯的變形緊密結合在一起，且涂層的厚度達到1 mm，這種高質量的顯微結構主要歸因于冷噴涂過程中極高的顆粒沖擊速度。圖2（b）為冷噴涂420/WC-17Co涂層的截面照片，其中白色區域為WC-17Co，黑色區域為420不銹鋼，WC-17Co在涂層中分布均勻，且與420不銹鋼之間的結合良好。

圖3給出了冷噴涂420不銹鋼涂層和420/WC-17Co涂層的XRD譜圖。在420不銹鋼涂層的XRD譜圖中可以看到明顯的馬氏體衍射峰，在420/WC-17Co涂層的譜圖中同時出現了明顯的WC衍射峰。兩種涂層的譜圖中都沒有發現其他物相的衍射峰，表明噴涂喂料粉末在冷噴涂過程中沒有發生明顯的相變和分解。

圖2 冷噴涂截面的 SEM 形貌 （a）420 不銹鋼涂層;（b）420/WC-17Co 涂層Fig.2 Cross sectional SEM morphologies （a）420 stainless steel coating; （b）420/WC-17Co coating

圖3 420 不銹鋼涂層和 420/WC-17Co 涂層的 XRD 譜圖Fig.3 XRD patterns of 420 stainless steel coating and 420/WC-17Co coating

圖4 磨損表面的 SEM 形貌 （a）鎂合金基材; （b）420 涂層; （c）420/WC-17Co 涂層Fig.4 SEM images of worn surface （a）magnesium alloy; （b）420 coating; （c）420/WC-17Co coating

表1給出了冷噴涂420不銹鋼涂層和420/WC-17Co涂層的顯微硬度，結合強度和沉積效率數據?？梢钥吹?，WC-17Co的加入可以顯著提高420不銹鋼涂層的顯微硬度，420不銹鋼涂層的顯微硬度為（450 ± 44 ）HV，而 420/WC-17Co 涂層的顯微硬度則提高到（615 ± 62）HV。另外，通過拉伸法可以測得冷噴420/WC-17Co涂層的結合度為（57 ±11 ）MPa，高于 420 不銹鋼涂層的（44 ± 8） MPa。然而，420/WC-17Co涂層的沉積效率較420涂層有明顯的降低，這是由于WC-17Co粉末在噴涂過程中的沉積效率明顯低于420不銹鋼粉末。

表2給出了冷噴涂420不銹鋼涂層、420/WC-17Co涂層和鎂合金基材的摩擦系數和磨損率數據?？梢园l現，420不銹鋼涂層的摩擦系數為0.44，420/WC-17Co涂層的摩擦系數為0.38。鎂合金的摩擦系數低于兩種涂層，其平均摩擦系數為0.27，這是由于鎂合金硬度較小，在摩擦過程中容易發生變形，易于剪切，因而摩擦系數較低。從磨損率數據可以看到，冷噴涂涂層的磨損率較鎂合金基材都有明顯的降低，鎂合金的磨損率為 4.6 × 10–4mm3·N·m，420 不銹鋼涂層的磨損率降低到 1.2 × 10–5mm3·N·m，隨著WC-17Co的加入，磨損率進一步降低到3.3 ×10–6mm3·N·m，證明了冷噴涂 420/WC-17Co 涂層是一種非常理想的鎂合金表面耐磨強化涂層。

表1 冷噴涂 420 不銹鋼涂層和 420/WC-17Co 涂層性能對比Table1 Property comparasion between cold sprayed 420 stainless steel coating and 420/WC-17Co coating

表2 涂層和鎂合金基材的摩擦因數和磨損率數據Table2 Friction coefficient and wear rate of as-sprayed coatings and magnesium alloy

圖4為鎂合金基材、冷噴涂420不銹鋼涂層、420/WC-17Co涂層經摩擦磨損實驗后磨損表面的SEM形貌。從圖4（a）可以看到，鎂合金的磨損表面出現明顯的塑性變形和犁溝，這是由于鎂合金硬度較低，在對偶材料的摩擦作用下，容易產生犁削式磨損和塑形變形。圖4（b）中420不銹鋼涂層的磨損表面存在明顯的犁溝和剝落坑，涂層的磨損機制主要為黏著磨損和磨粒磨損。圖4（c）中420/WC-17Co涂層的磨損程度明顯減輕，這是由于WC-17Co的加入顯著提高了涂層的承載能力。磨痕表面呈現部分犁溝和輕微的局部剝落，可以推斷涂層的磨損機制為脆性剝落，同時伴隨著部分磨粒磨損。這是由于在法向載荷和摩擦剪切應力作用下，420不銹鋼和WC-17Co的界面處容易萌生疲勞裂紋，造成涂層的剝落；所產生的磨屑在磨痕中堆積，在對偶球的作用下對涂層繼續產生一定程度的磨粒磨損。

圖5 鎂合金、420 涂層和 420/WC-17Co 涂層的極化曲線Fig.5 Polarization curves of magnesium alloy, 420 coating and 420/WC-17Co coating

圖5是鎂合金、420不銹鋼涂層和420/WC-17Co涂層在3.5% NaCl溶液中的極化曲線。對極化曲線進行Tafel擬合，鎂合金基體的自腐蝕電位為–1.36 V，自腐蝕電流密度為 8.2 × 10–5A·cm2，420涂層的腐蝕電位（–0.37 V）明顯高于鎂合金基體，且涂層的自腐蝕電流密度（5.3 × 10–7A·cm2）較鎂合金基體降低了2個數量級。隨著WC-17Co的加入，420/WC-17Co涂層的腐蝕電位降低到–0.48 V，腐蝕電流密度增加到 2.4 × 10–6A·cm2，涂層的耐蝕性能較420涂層略有下降，但仍顯著優于鎂合金基體，可見冷噴涂沉積致密420/WC-17Co涂層能有效降低鎂合金表面活性，隔離基體與腐蝕介質的接觸，使鎂合金表面耐蝕性能顯著增加。

3 結論

（1）采用冷噴涂工藝在AZ80鎂合金基材表面制備了高質量420/WC-17Co涂層。

（2）420/WC-17Co涂層可以顯著提高鎂合金基材的耐磨和耐腐蝕性能，其磨損率較鎂合金基體降低了2個數量級，自腐蝕電流降低了1個數量級。