鎂合金等離子噴Al／Al2O3涂層配比及參數(shù)優(yōu)化

馬 凱，張曉慶，孫大千

（1.長春工程學院機電工程學院，長春130012；2.吉林大學材料科學與工程學院，長春130022）

在工程金屬結構材料中，鎂合金的密度是最小的。因其具有比強度和比剛度高、良好的阻尼減震和電磁屏蔽性能及易于回收再利用等一系列優(yōu)點，被譽為21世紀最有前途的綠色結構材料［1－2］，其應用領域也相當廣闊，涉及航天、航空、汽車、電子、交通及國防軍工等各各方面［3－4］。但是，其耐蝕性和耐磨性相對較差是先天缺陷，不經(jīng)過處理的鎂合金很難在工程結構中進行應用。目前改善其性能的辦法主要是對鎂合金表面進行處理，處理的方法是制備耐腐蝕和耐磨損的特殊涂層。采用超音速火焰噴涂技術在AZ91和AE42鎂合金表面制備 WC／Co涂層，可提高涂層耐磨損性能，但其耐腐蝕性能仍然低。在鎂合金表面用電弧噴涂技術制備純Al涂層，可使鎂合金耐腐蝕性能明顯增強，但其耐磨損性能會變差。在鎂合金表面也可用等離子噴涂技術制備純Al涂層和Al2O3陶瓷涂層，2種涂層中，前者與母材結合性能好，但耐磨性能差，后者則剛好相反。

在一定條件下，Al和Al2O3兩者之間的潤濕性和相溶性比較好，Al2O3的熔點和硬度都較高，耐腐蝕性能也好，而且材料來源廣泛而容易，綜合Al和Al2O3涂層的上述特點，提出Al2O3顆粒增強Al基復合材料（Al／Al2O3）涂層來改善鎂合金自身的短板。但要充分熔化高熔點、高硬度的Al2O3粉末顆粒，普通的熱源是難以實現(xiàn)的。本文采用等離子粉末噴涂技術在鎂合金AZ31表面制備Al／Al2O3復合材料涂層。觀察分析不同粉末配比時涂層的劃痕試驗結果、SEM照片以及XRD衍射數(shù)據(jù)，確定Al＋Al2O3的合理配方。通過正交試驗設計，分別對涂層密度、顯微硬度和沉積率等指標進行分析，最后確定復合材料涂層的最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料和涂層制備

鎂合金基材選用AZ31，試樣做成長方形，尺寸為40mm×40mm×6mm。粉末噴涂材料為Al和Al2O3的機械混合物，等離子噴涂系統(tǒng)為Praxair－Tafa3710。

1.2 涂層微觀組織觀察

試驗采用JSM－5600LV掃描電子顯微鏡、D／Max 2500Pc型X射線衍射儀研究Al／Al2O3涂層的組織結構特點，用美國UMT多功能測試系統(tǒng)對涂層進行劃痕試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 Al＋Al2O3復合粉末配比優(yōu)化

Al／Al2O3復合粉末配比中，Al2O3質量分數(shù)設定為4種，分別為10%、20%、30%、40%。在條件相同的試驗環(huán)境下，采用等離子粉末噴涂技術，在AZ31鎂合金表面進行復合涂層制備。

2.1.1 涂層劃痕測試

劃痕試驗測得的平均摩擦系數(shù)大小反映了涂層表面耐磨損性能［5］。本次劃痕試驗結果表明，聲波測試信號振動頻率AE在4種配比的涂層中都比較大。不過隨著Al2O3質量分數(shù)的增加，涂層表面的平整度有所降低，AE振動的幅度有所增大，但總體振幅不大。圖1所示為用不同Al2O3粉末配比制備的涂層的摩擦力和摩擦系數(shù)。由圖可見，用質量分數(shù)為20%的Al2O3復合粉末制備的涂層、摩擦力和摩擦系數(shù)都為最大。測得的數(shù)據(jù)表明，前3個涂層的最大摩擦力和最大摩擦系數(shù)的規(guī)律相似，隨Al2O3質量分數(shù)的增加，都同時呈現(xiàn)低→高→低的走勢。直到第4種配比制備的涂層時，二者才出現(xiàn)了背離走勢，即當Al2O3質量分數(shù)增加到40%時，摩擦力陡降，而摩擦系數(shù)則略有回升。一般而言，Al2O3質量分數(shù)越高，制備的涂層中Al2O3顆粒增強相的含量越多，涂層的耐磨損性能也就越高。但隨著Al2O3質量分數(shù)的增加，涂層的孔隙率也隨之增加，再加上因Al2O3增多導致的其與基材的潤濕性下降，會使涂層疏松多孔，密度減小，耐腐蝕性能下降。

圖1 不同配比涂層摩擦力和摩擦系數(shù)

2.1.2 涂層表面XRD分析

圖2所示為Al＋Al2O3復合粉末不同配比制備的各種涂層的XRD分析結果。由圖可見，在4種涂層的表面，只有以α－Al2O3形式存在的Al2O3和純Al兩種物質，觀察不到其他新的生成相，Al2O3的相結構也沒有發(fā)生改變。隨著Al＋Al2O3復合粉末中的Al2O3質量分數(shù)的增加，涂層表面XRD衍射花樣中的α－Al2O3強度逐漸增大。經(jīng)過實驗測定，在4種配比制備的各個涂層中，與Al2O3質量分數(shù)為10%、20%、30%、40%對應的Al2O3體積分數(shù)分別為7%、14%、17%、25%。

2.1.3 涂層表面SEM分析

在Al＋Al2O3復合粉末中，Al2O3質量分數(shù)分別為10%、20%、30%、40%時所制備的4種涂層表面的SEM像如圖3所示。圖3（a）～圖3（d）中灰色部分為涂層純Al基體，白色顆粒狀物質為鑲嵌在純Al基體中的Al2O3粉末顆粒，零散分布的不規(guī)則深黑色部分為氣孔或孔隙等缺陷。分析4張照片可知，隨著復合粉末Al2O3質量分數(shù)的增加，過渡到涂層中形成增強相的白色Al2O3顆粒也增多，但伴隨而來的孔隙率也有所增多，這將導致其耐腐蝕性能下降。圖3（a）顯示的是Al2O3粉末的質量分數(shù)為10%時，作為增強相的Al2O3顆粒在純Al基體中的分布情況。明顯看出增強相過少，分布不均勻，制備的涂層達不到表面改性的目的。圖3（b）顯示的是Al2O3粉末的質量分數(shù)為20%時，作為增強相的Al2O3顆粒在純Al基體中的分布情況。此時的增強相顆粒能夠均勻地鑲嵌在純Al基材中，涂層比較致密，孔隙等缺陷也比較少。圖3（c）、（d）顯示的是Al2O3粉末的質量分數(shù)達到或超過30%以后，作為增強相的Al2O3顆粒在純Al基體中的分布情況。此時的增強相顆粒在純Al基材中的分布不是很均勻，涂層比較疏松，孔隙率增加比較明顯，涂層的耐磨損性能有所增加，但與基材的潤濕性降低，結合強度將會下降。

圖2 不同粉末配比的涂層表面XRD圖

在等離子焰流中，復合粉末Al＋Al2O3中的Al2O3顆粒屬于高溫陶瓷，與純Al相比屬于非塑性粒子，單靠其自身與鎂合金結合是很難的。只能依靠金屬Al粒子的包覆以及與塑性基材的咬合，才能很好地沉積在鎂合金表面，其與金屬Al粒子的共沉積是最主要的。要想讓Al2O3顆粒增強相能均勻彌散分布在涂層中，且保證復合材料涂層穩(wěn)定的結構致密性，必須選擇出合適的配比。實際上，Al和Al2O3粒子并不能按質量分數(shù)配比而同比例地沉積在鎂合金表面。不同配比的噴涂粉末，其沉積率也不同，而不同的沉積率會導致涂層表層與次表層中Al2O3的成分梯度增大，成分梯度增大又會導致應力梯度增加，最后使涂層與母材的結合強度降低。調整Al＋Al2O3復合粉末的配比，可改變次表層Al2O3的含量，也就能改變涂層的結合強度。對比上述4種配比，從粉末沉積效果上看，用質量分數(shù)為20%的Al2O3粉末配比來制備成體積分數(shù)為14%的Al2O3涂層，其沉積率是最高的。

圖3 不同粉末配比的涂層SEM像

2.2 等離子噴涂工藝參數(shù)優(yōu)化

本次正交試驗選擇的6個因素為以下參數(shù)：A代表噴涂電流（A）；B代表噴涂距離（mm）；C代表主氣壓力（MPa）、D代表次氣壓力（MPa）；E代表噴涂速度（mm／s）；F 代表送粉量（g／min），每個因素選擇5個試驗水平，分別用1、2、3、4、5來表示。構造如表1所示的六因素五水平正交試驗因素水平分布表 L25（56）。

表1 正交試驗因素水平分布表

實際操作時，按照L25（56）表中的數(shù)據(jù)安排25次試驗，分別測定各涂層的厚度、質量、面積和顯微硬度值，然后按照涂層厚度、面積和質量的測量值來計算其密度，之后用涂層的表面積和送粉量來計算沉積率，并以此代表涂層的力學性能，獲得正交試驗結果測試數(shù)值表。

2.2.1 試驗數(shù)據(jù)計算和分析

根據(jù)上述正交試驗結果的數(shù)據(jù)，選用極差分析法，計算分析各因素對涂層密度、顯微硬度和沉積率等指標的影響。當某因素（如送粉量或主氣壓力2個因素）對應的5個水平變動時，某一個指標（如密度指標）的波動比較大，而當其他因素（如噴涂電流或噴涂速度2個因素）的5個水平變動時，該指標（如密度指標）的波動比較小。這樣就可以根據(jù)計算出的極差數(shù)值大小，排列出各個因素對該指標影響的主次關系。如針對密度指標而言，送粉量這個參數(shù)對其影響是最主要的，主氣壓力這個參數(shù)對其影響次之，而其他參數(shù)對其影響就比較弱了。

為直觀了解6個因素對3個指標的影響程度，繪制了因素—指標坐標圖。其中的各個因素用橫坐標來表示，如主氣壓力、送粉量等，而顯微硬度、密度、沉積率等3個指標用縱坐標來表示，把需要研究的指標經(jīng)過極差分析后的具體數(shù)據(jù)在坐標系中打上點，之后把各個點連成折線，形成因素—指標坐標圖，其中圖4所示為噴涂電流—密度指標圖。同理可得出噴涂距離—密度指標圖、主氣壓力—密度指標圖、次氣壓力—密度指標圖、噴涂速度—密度指標圖、送粉量—密度指標圖，在此不一一給出。對比上述6個圖可知：密度指標最大值出現(xiàn)在噴涂電流為700A（水平1）的時刻，其余4個電流（對應水平2～水平5）的密度指標值則較低；噴涂距離指標在90mm時是個分水嶺，之前呈上升趨勢，之后則呈下降趨勢；主氣壓力指標在0.48MPa時是個分水嶺，之前呈上升趨勢，之后呈下降趨勢；次氣壓力指標在0.14MPa時最小，然后大斜率上升到0.21MPa時達到最大，之后又下降；噴槍移動速度（噴涂速度）指標在500mm／s時最小，400mm／s最大。理論上當速度小于400mm／s時應該能獲得更大密度的涂層，但由于鎂合金的熔點較低，當速度小于400mm／s時，試樣在高溫停留時間較長，容易過熱或燒損，所以噴涂速度指標不宜過??；送粉量指標在24.2g／min時最小，30.3g／min時最大。

同樣按照以上方法分析這6個因素對顯微硬度指標的影響：若涂層需要得到較高的顯微硬度指標，則選擇出的工藝參數(shù)為噴涂速度600mm／s，噴涂距離90mm，送粉量30.3g／min，主氣壓力0.48MPa，次氣壓力0.14MPa，噴涂電流700A。其中噴涂電流和主氣壓力對顯微硬度指標的影響最大。圖5所示為送粉量—顯微硬度指標圖。

圖4 噴涂電流—密度指標圖

圖5 送粉量—顯微硬度指標圖

仍然按照以上方法，分析這6個因素對沉積率指標的影響：若涂層需要得到較高的沉積率指標，則選擇出的工藝參數(shù)為噴涂速度600mm／s，噴涂距離90mm，送粉量30.3g／min，主氣壓力0.48MPa，次氣壓力0.14MPa，噴涂電流700A。其中噴涂速度和噴涂距離對沉積率指標的影響最大。圖6所示為噴涂速度—沉積率指標圖。

圖6 噴涂速度—沉積率指標圖

2.2.2 參數(shù)優(yōu)化

綜合分析以上結果，送粉量是影響涂層質量最主要的因素，其對Al／Al2O3復合材料涂層的顯微硬度指標、密度指標、沉積率指標的影響都是最大的。復合材料涂層質量的好壞是由送粉量決定的，送粉量過小，復合材料涂層的制備過程就要加長，工作效率和經(jīng)濟效益將受影響；送粉量過大，將導致Al＋Al2O3復合粉末在基材表面的堆積，熔化不均勻，未熔化的顆粒增多，表面粗糙，涂層孔隙率增加，密度降低，而且使等離子焰流的熱焓值下降，噴涂工作區(qū)熱量供給不足。

噴涂電流、噴涂距離、主氣壓力是影響涂層質量的次要因素。等離子弧的熱焓值直接受噴涂電流的影響，噴涂電流過大，低熔點Al粉會產生汽化和被氧化，鎂合金基材溫度升高，當這種情況嚴重時，噴槍的噴嘴也會被燒損，導致工作過程無法進行；噴涂電流過小，等離子弧的燃燒不穩(wěn)定，工作過程有波動，噴涂粉末熔化不充分，不均勻，層間結合性較差，基材與涂層之間的結合強度降低。

主氣壓力直接影響到等離子焰流的熱焓和流速，進而影響到工作效率，也影響涂層的孔隙率。其對密度指標和顯微硬度指標的影響也較為突出。主氣壓力過大，等離子焰流的熱量被帶走的也多，熱焓值降低，溫度下降，粉末的熔化不充分，也不均勻，涂層的孔隙增多，組織疏松；主氣壓力過小，等離子焰流挺度降低，噴槍的工作電壓下降，噴嘴容易燒蝕和堵塞。

噴涂距離決定熔化粒子的飛行時間和飛行距離。噴涂距離過大，熔融粒子在未達到基材表面時就會因溫度降低而凝固，或者即使達到基材表面，但其沖擊的動能也顯得不足，導致涂層與基材結合得不好；當噴涂距離過小時，將導致基材熔化、氧化甚至燒損而Al2O3顆粒未熔化的現(xiàn)象。

次氣壓力主要與噴涂電壓有關，由于試驗設備的工作特性為低電壓大電流，當噴涂電流選定時，設備的電壓調節(jié)范圍就已經(jīng)被限定了，次氣壓力的變化范圍比較小，對噴涂過程影響不明顯。所以，次氣壓力對涂層質量的影響較小。

等離子焰流的速度很大，而噴槍的橫向擺動速度相對較小，正常的噴涂速度對噴涂過程影響不明顯。需要注意的是，鎂合金的熔點低，如果噴槍的擺動速度過小，會使基材過熱，熔化粒子堆積；如果噴槍的擺動速度過大，基材獲得的熱量可能不足，導致涂層與基材的結合強度降低。

由以上分析可以得出，要保證涂層的顯微硬度、密度和沉積率3個指標都符合要求，最優(yōu)的等離子噴涂參數(shù)為：噴涂距離90mm、噴涂速度400mm／s、送粉量30.3g／min、主氣壓力0.48MPa、次氣壓力0.21MPa、噴涂電流700A。

3 結語

1）分析不同粉末配比時涂層的劃痕試驗結果、SEM照片以及XRD衍射數(shù)據(jù)，選擇出的Al＋Al2O3復合粉末配方為：Al2O3質量分數(shù)為20wt%，純Al質量分數(shù)為80wt%。

2）正交試驗表明：送粉量對涂層性能的影響最大，次氣壓力和噴涂速度對涂層性能的影響最小，噴涂電流、主氣壓力和噴涂距離介于二者之間。

3）優(yōu)化后的工藝參數(shù)：噴涂距離90mm、噴涂速度400mm／s、送粉量30.3g／min、主氣壓力0.48MPa、次氣壓力0.21MPa、噴涂電流700A。

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