鎂合金表面耐腐蝕涂層的制備

蔡銘澤

大連交通大學材料科學與工程學院 遼寧大連 116028

鎂合金具有密度小、比強度高等優點，被廣泛應用于汽車、醫療、航空等領域。但是，鎂合金同樣存在易腐蝕、易磨損等缺點，嚴重限制了其在工程領域的應用。熱處理工藝可以改變鎂合金的組織結構進而改善其性能，但是會使晶粒粗大，性能不平衡。改變鎂合金的化學成分可以提高其硬度及耐蝕性，但成本極高，可用于改善鎂合金成分的元素種類有限。利用電鍍工藝，可以提高鎂合金的表面耐蝕性，同時，改變電鍍液成分及酸洗時間，還可以改變鍍層與母材的結合強度。利用冷噴涂技術，在鎂合金表面噴涂Al-Zn、純Al涂層，也可以顯著提高鎂合金表面的耐腐蝕性。因此，通過適當的表面處理工藝，可以在鎂合金表面得到具有一定功能的涂層，提高其表面性能。基于此，本文提出一種提高鎂合金表面耐腐蝕性的方法[1]。

1 表面熔覆層的制備

選擇AZ91D鎂合金作為母材，試板的尺寸為100×100×6mm。AZ91是典型的鑄造鎂合金，具有易加工、易鑄造、高強度和低成本等優點。粉末材料為Ni60與WC的混合粉末，混合粉末的質量配比為80%Ni60+20%WC，粉末的粒徑在50-150μm，圖1為粉末的微觀形貌。制備前，利用角磨機清除表面氧化膜，再用丙酮、酒精擦拭表面清除油污，確保母材表面潔凈。利用粘接劑將混合粉末預置在鎂合金表面，利用等離子弧進行熔覆，實現耐腐蝕層的制備，具體工藝參數如下：電流48A，焊接速度1.5mm/s，等離子氣流量2.2L/min，保護氣流量15L/min，焊接距離12mm。

圖1 粉末的微觀形貌

2 試驗結果及分析

熔覆層制備后，利用線切割機進行取樣。依次用320#、600#、1000#、2000#砂紙對金相試樣進行打磨，然后對其拋光處理。用腐蝕液進行侵蝕后，利用掃描電子顯微鏡進行觀察。熔覆層表面平整光滑，沒有氣孔、裂紋等缺陷。圖2為利用掃描電子顯微鏡觀察到的熔覆層的微觀組織。熔覆層與鎂合金母材之間形成冶金結合，保證了良好的結合強度。在熔覆層內部，可以觀察多邊形的WC顆粒鑲嵌在基體中，在其周圍存在顆粒狀的碳化物增強相。因此，熔覆層的微觀組織特點為：多邊形的WC顆粒均勻分布在Ni基體中。

利用顯微硬度儀進行硬度測試，載荷時間為15s，載荷要為500g。熔覆層表面的平均硬度為901HV，約為AZ91D母材硬度61HV的15倍。硬度顯著提高的主要原因是，熔覆層中具有高硬度的WC顆粒的存在，同時，碳化物增強相顆粒也起到彌散強化作用。顯微硬度沿深度方向逐漸降低，主要跟WC在熔覆層不同位置的含量有關[2]。

圖2 熔覆層的微觀組織

圖3 沿截面的顯微硬度分布

為了對比研究熔覆層與鎂合金母材的耐腐蝕性能，將熔覆層與母材加工成表面為10×10mm的試樣，并將其封入環氧樹脂中，利用電化學工作站進行極化曲線以及交流阻抗測試。結果表明，母材的腐蝕電流密度（11.803μA·cm-2）高于熔覆層（7.345μA·cm-2），而腐蝕電位（-0.763mV）低于熔覆層（-0.598mV）。一般來說，腐蝕電流密度約小，腐蝕電位越高，說明耐腐蝕越好。熔覆層與母材電化學阻抗譜擬合結果可知，熔覆層的Rp為718Ω·cm2，而母材的Rp為277.7Ω·cm2，說明母材對于電子轉移的阻礙能力要弱于熔覆層。綜上所述，熔覆層的耐腐蝕要優于鎂合金母材[3]。

3 結語

在鎂合金表面預置Ni60與WC的混合粉末，通過等離子熔覆技術，可以得到表面成型良好、與鎂合金母材形成冶金結合的熔覆層。在熔覆層內部，多邊形的WC顆粒鑲嵌在基體中，在其周圍存在顆粒狀的碳化物增強相。熔覆層平均硬度為901HV，耐腐蝕也優于鎂合金母材。