AI涂層/AZ91鎂合金復(fù)合鑄造界面的研究

金通 趙建華 袁福安 涂欣達(dá) 張士斌

摘要：對型芯預(yù)噴涂一層AI涂層，將Az91鎂合金液澆注到鑄型中實(shí)現(xiàn)基體和涂層的結(jié)合，對凝固后的結(jié)合界面組織和相組成進(jìn)行分析。結(jié)果表明，Az9I鎂合金液和AI涂層表面的氧化物發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了界面間的潤濕，形成冶金結(jié)合界面。該界面包含3個擴(kuò)散層：鎂合金基體一側(cè)為（AI12Mg17+δMg）共晶組織;中間層為AI12Mg17金屬間化合物;AI涂層一側(cè)為AI3Mg2金屬間化合物，并彌散分布著一些氧化物。試驗(yàn)結(jié)果證明，通過復(fù)合鑄造的方法可以實(shí)現(xiàn)Al涂層和鎂合金基體的冶金結(jié)合。

關(guān)鍵詞：鎂合金;電弧噴涂;復(fù)合鑄造;界面

中圖分類號：TG178文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

復(fù)合鑄造是用澆注的方法將兩種或兩種以上的材料鑄造成一種完整鑄件的加工工藝。通過復(fù)合鑄造工藝制備的鑄件的不同部位具有不同的性能。近年來，越來越多的研究者使用復(fù)合鑄造工藝連接同種或異種材料，如鋼/Fe，F(xiàn)e/AI，AI/Cu等。本文嘗試將電弧噴涂技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合鑄造工藝中，先在型芯表面噴涂一層涂層，再將金屬液澆注到鑄型中，通過固液復(fù)合作用制備金屬復(fù)合材料。該方法改變了傳統(tǒng)熱噴涂工藝先基體后涂層的觀念，可以在基體表面制備結(jié)合性能好、表面精度高的涂層，具有一定的研究價值。

界面是復(fù)合材料的重要組成部分，界面的結(jié)構(gòu)往往決定了復(fù)合材料的使用性能。傳統(tǒng)的熱噴涂涂層和基體之間為機(jī)械結(jié)合界面，結(jié)合強(qiáng)度不高，限制了其應(yīng)用。而復(fù)合鑄造，特別是熔點(diǎn)相近的雙金屬復(fù)合鑄造，其界面結(jié)合方式一般為冶金結(jié)合，一定程度上可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)熱噴涂工藝的不足。本文采用復(fù)合鑄造的方法將AI涂層和鎂合金基體結(jié)合在一起，并對其結(jié)合界面進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)采用直徑2mm的純AI絲作為噴涂材料，采用AZ91鎂合金作為基材。分別采用先基體后涂層的傳統(tǒng)電弧噴涂工藝和先涂層后基體的復(fù)合鑄造工藝來制備金屬復(fù)合材料。傳統(tǒng)熱噴涂工藝需要先對鎂合金基體進(jìn)行一定的表面處理，去除表面的氧化物、油污等雜質(zhì)，使其具有一定的表面粗糙度，然后用電弧噴涂技術(shù)噴涂一層A1涂層，獲得包覆一層涂層的材料。

圖1為復(fù)合鑄造工藝示意圖。使用耐火磚制備型芯，為保證涂層和型芯的結(jié)合強(qiáng)度，型芯在400℃進(jìn)行預(yù)熱;使用電弧噴涂技術(shù)在型芯表面噴涂一層厚約1mm的涂層，噴涂工藝參數(shù)如表1所示。然后將涂覆AI涂層的型芯放在模具中，模具預(yù)熱溫度為300℃;最后，將AZ91鎂合金基材放人熔煉爐中進(jìn)行熔煉，待合金液溫度達(dá)到700℃并保溫一段時間后，將合金液澆注到模具中，實(shí)現(xiàn)涂層與基體的結(jié)合，最終獲得所需鑄件。

用線切割設(shè)備對兩種試樣進(jìn)行切割，并將結(jié)合界面制成金相觀察試樣，然后通過光學(xué)顯微鏡（optical microscope，OM）、掃描電子顯微鏡（scanningelectron microscope，SEM）、能譜儀（energy dispersespectroscopy，EDS）、x射線衍射儀（X-raydiffractometer，XRD）和維氏硬度計(jì)對試樣結(jié)合界面的組織、成分和性能進(jìn)行測試。

2結(jié)果與討論

圖2為通過傳統(tǒng)熱噴涂工藝得到的AI涂層/AZ91鎂合金復(fù)合界面的OM圖。從圖2中可以看到，AI涂層與鎂合金基體之間有一條明顯的分界線，結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合。在電弧噴涂過程中，熔融的AI絲被霧化，并噴射到基體上，由于霧化的AI液冷卻較快，到達(dá)基體后便會迅速凝固，界面之間未能有足夠的熱量進(jìn)行熔合或擴(kuò)散，形成機(jī)械結(jié)合界面。這種界面只是涂層和基體之間的機(jī)械咬合，結(jié)合強(qiáng)度不高。目前，研究者們通過改變噴涂材、溫度、基體的表面狀態(tài)、噴涂工藝參數(shù)和后處理等因素來提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，但這些方法難以有效地改變涂層機(jī)械結(jié)合的現(xiàn)狀。

與傳統(tǒng)的熱噴涂工藝相比，復(fù)合鑄造工藝過程中的熔融金屬，有足夠的熱量使其與涂層發(fā)生熔合和擴(kuò)散，從而容易獲得冶金結(jié)合界面。圖3（a）為AI涂層與AZ91鎂合金基體固液結(jié)合界面圖，圖3（a）的右側(cè)為AZ91鎂合金基體，左側(cè)為Al涂層，中間為涂層和基體作用形成的擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層分為A，B，C 3個區(qū)域，分別對應(yīng)圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）。從圖3中可以看出，AZ91鎂合金基體中彌散分布著第二相，而靠近基體的區(qū)域A中的第二相連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);中間區(qū)域B由單一的相組成，與區(qū)域A無明顯分界線，且區(qū)域A的相與區(qū)域B的相連成一體;靠近AI涂層一側(cè)為區(qū)域C，區(qū)域C中彌散分布著一些顆粒物。

在復(fù)合鑄造過程中，兩種材料界面之間的潤濕對冶金結(jié)合界面的形成起到非常重要的作用。電弧噴涂過程中，被霧化的AI液滴表面極易形成致密的氧化膜，這層氧化膜會阻礙AI液滴內(nèi)部繼續(xù)氧化，使得AI液滴內(nèi)部依然為純AI組織。因此，涂層表面和內(nèi)部含有一定量的A12O3。A12O3非常穩(wěn)定，并且熔點(diǎn)較高，對界面潤濕將產(chǎn)生重要影響。在復(fù)合鑄造過程中，通常固態(tài)金屬氧化物會阻礙界面之間的潤濕，需要在澆注前清理表面。在本試驗(yàn)中，AI涂層未經(jīng)任何表面處理，當(dāng)AZ91鎂合金液和AI涂層接觸時，合金液便會與表面氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)界面之間的潤濕。

圖5為復(fù)合鑄造工藝下的AI涂層/AZ91鎂合金界面的EDS譜圖。從圖5中可以看到，O的含量較低，說明只有涂層表面很薄的一部分被氧化。從AZ91鎂合金基體到AI涂層，Mg的含量逐漸降低，AI的含量逐漸升高。在擴(kuò)散層、基體和涂層的界面處，Mg和AI的含量變化很大，而在擴(kuò)散層3個區(qū)域，各元素含量變化不大。當(dāng)AZ91鎂合金液破碎涂層氧化物后，便與涂層發(fā)生熔合和擴(kuò)散作用，形成新的組織，因此基體和擴(kuò)散層界面元素含量出現(xiàn)劇烈變化。根據(jù)AI-Mg二元合金相圖可初步判斷，擴(kuò)散層區(qū)域A的組織為共晶反應(yīng)生成的AI12Mg17相和δMg相。隨著Mg向AI涂層進(jìn)一步擴(kuò)散，Mg含量越來越低，根據(jù)AI-Mg二元合金相圖可知，將出現(xiàn)單獨(dú)的A12，Mg17相。圖3（b）顯示，區(qū)域B和區(qū)域A無明顯分界線，區(qū)域B組織滲透到區(qū)域A中連為一體，因此可初步判斷區(qū)域B為單獨(dú)的AI12Mg17相。而在AI涂層一側(cè)的區(qū)域C，Mg含量進(jìn)一步降低，根據(jù)AI-Mg二元合金相圖和圖4中XRD結(jié)果初步判定，區(qū)域C主要為AI3Mg2相。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證擴(kuò)散層3個區(qū)域的成分，在Al涂層/AZ91鎂合金界面處進(jìn)行了EDS測試，見表2。點(diǎn)1和點(diǎn)2位于區(qū)域A，點(diǎn)1主要成分為Mg，點(diǎn)2含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.80%的AI，其余為Mg。結(jié)合圖4，證明區(qū)域A為AI12Mg17相和6M。相的共晶組織。點(diǎn)3位于區(qū)域B，AI和Mg含量的比例可進(jìn)一步說明，該區(qū)域?yàn)锳I12Mg17相。點(diǎn)4和點(diǎn)5位于區(qū)域C，點(diǎn)5處含有較多的氧，說明Mg和涂層表面的AI2O3發(fā)生反應(yīng)，生成了MgAI2O4相。點(diǎn)4中Mg和AI的比例進(jìn)一步證明了區(qū)域C為A13Mg2相。

圖6為復(fù)合鑄造工藝下的AI涂層/AZ91鎂合金復(fù)合材料的維氏硬度。從圖6中可以看出，和基體相比，擴(kuò)散層的硬度較高，證明擴(kuò)散層形成了AI，cMgy金屬間化合物。由于金屬間化合物AI3Mg2的硬度要大于AI12，Mg17，區(qū)域C的硬度大于區(qū)域B。區(qū)域A中含有一定量的δMg，弱化了區(qū)域A的硬度，區(qū)域B的硬度大于區(qū)域A。

3結(jié)論

（1）采用復(fù)合鑄造工藝在AZ91鎂合金基體表面制備了具有冶金結(jié)合的AI涂層。

（2）Al涂層表面被AI2O3覆蓋，這層氧化物與AZ91鎂合金液發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)界面之間的潤濕，生成冶金結(jié)合界面。

（3）固液結(jié)合界面發(fā)生元素?cái)U(kuò)散作用，界面上形成了3個擴(kuò)散層。Mg基體一側(cè)發(fā)生共晶反應(yīng)，生成（AI12Mg17+SMg）共晶組織。中間層為擴(kuò)散生成的AI12Mg17金屬間化合物，并部分滲透到共晶組織中。AI涂層一側(cè)Mg含量有限，生成A13Mg2金屬間化合物，并彌散分布著一些氧化物。

（4）擴(kuò)散區(qū)域的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AZ91鎂合金基體和AI涂層的硬度，各區(qū)域的硬度與該處的相組成存在著密切的聯(lián)系。