孫煥煥,常文軍,吳鳳雙

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.大連升隆機械有限公司，遼寧 大連 116300；3.遼寧恒信鋁業(yè)有限公司，遼寧 鐵嶺 112000)

鎂合金具有高比強度、低的密度、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、優(yōu)異的減震和電磁屏蔽性能。因此，在汽車、航空航天、電子、通訊、軍工等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。而鎂合金也存在一些不足，如其電極電位較低，化學(xué)性活潑，極易氧化和腐蝕；鎂合金質(zhì)軟，耐磨性差，這些缺點在很大程度上限制了它的應(yīng)用[2-3]。為了克服鎂合金的上述不足，國內(nèi)外研究人員開展了大量鎂合金表面改性處理的研究工作，并取得了較好的效果[4]。

大氣等離子噴涂Al2O3-TiO2涂層具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、韌性和較低的材料成本，被廣泛應(yīng)用一些材料表面的耐磨、耐蝕防護涂層[5-7]。在Al2O3粉末中摻入TiO2可降低噴涂粉末的熔點，減小涂層的孔隙率，獲得致密度更高的陶瓷涂層，同時提高陶瓷涂層的強度、韌性、耐磨損性能[5,8]。

本文采用大氣等離子噴涂方法在鎂合金表面制備Al2O3-TiO2陶瓷改性涂層，研究涂層組織成分，測試和分析陶瓷涂層對鎂合金基體的耐磨損和電化學(xué)腐蝕防護性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗以AZ91D鎂合金板材為基體材料，尺寸100mm×100mm×14mm，其主要成分見表1。噴涂材料為Al2O3-13wt%TiO2粉末，平均尺寸約15μm，主要由α-Al2O3和金紅石型TiO2兩相構(gòu)成。

表1 AZ91D鎂合金的主要化學(xué)成分 wt%

1.2 涂層制備

噴涂設(shè)備采用美國Praxair3710型等離子噴涂系統(tǒng)，SG-100噴槍安裝在可編程控制的Motoman機械手臂上。噴涂前用丙酮清洗鎂合金表面油污，再用40～60目棕剛玉砂對鎂合金表面進行噴砂粗化處理。具體噴涂工藝參數(shù)見表2，涂層厚度約200μm。

表2 等離子噴涂工藝參數(shù)

1.3 涂層組織性能研究方法

采用S-3400N掃描電子顯微鏡及其附帶的能譜儀對涂層的組織形貌及成分進行分析；采用Rigaku Ultima IV型X射線衍射儀研究涂層的相組成；用FM-300型硬度儀測試涂層的顯微硬度，載荷50N，加載時間5s；采用MMW-1A摩擦磨損試驗機測試涂層的耐磨損性能，示意圖見圖1。對磨材料為45#鋼，回轉(zhuǎn)直徑Φ27mm，載荷15N，轉(zhuǎn)速20r/min，時間3min，試驗前后分別用精度為0.001g的分析天平測量試樣的重量；采用荷蘭Ivium電化學(xué)工作站測試涂層的動電位極化曲線，涂層試樣為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，腐蝕液采用3.5wt%NaCl溶液，掃描速度0.1mV/s，測試面積10mm×10mm。

圖1 磨損實驗示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層組織成分及相組成

圖2為AZ91D鎂合金表面等離子噴涂Al2O3-TiO2陶瓷涂層的截面相貌，可見陶瓷涂層與鎂合金基體結(jié)合較緊密，界面處無明顯缺陷。將涂層局部放大見圖3a，可見陶瓷涂層呈灰白分明的波浪式的層狀結(jié)構(gòu)。能譜分析發(fā)現(xiàn)，涂層白色的疏松組織a中主要含有Al、O兩種元素(圖3b)，而較為致密的灰色組織b則主要含有大量的Ti、O元素，及少量的Al(圖3c)。涂層呈現(xiàn)這種形貌是由于等離子噴涂過程中噴涂粉末大部分發(fā)生了完全熔化，且發(fā)生完全熔化的粉末顆粒鋪展、疊加形成波浪式的層狀結(jié)構(gòu)。但由于TiO2的熔點低于Al2O3，故其噴涂后組織相對致密，而高熔點的Al2O3噴涂后則相對疏松。仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，涂層中局部存在少量的未熔顆粒及孔隙，這與等離子噴涂工藝的特點有關(guān)[9]。

圖2 Al2O3-TiO2陶瓷涂層截面形貌

涂層的XRD分析結(jié)果見圖4，可見Al2O3-TiO2涂層中由α-Al2O3、γ-Al2O3和金紅石TiO2三相組成。結(jié)合XRD結(jié)果已經(jīng)可以確定，涂層形貌中白色區(qū)域主要是α-Al2O3、γ-Al2O3兩相，而灰色區(qū)域則主要是金紅石TiO2。經(jīng)等離子噴涂后，大部分α-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)相γ-Al2O3，TiO2仍以金紅石型存在。這是由于等離子噴涂液相凝結(jié)冷卻速度極快，γ-Al2O3具有比α-Al2O3更低的界面能，所以γ-Al2O3優(yōu)先形核長大，因此在涂層中生成γ-Al2O3[10]，同時快的冷卻速度也為在噴涂過程中，少部分α-Al2O3未熔化或部分熔化而被保留在涂層中創(chuàng)造了條件[11]，所以出現(xiàn)α-Al2O3和γ-Al2O3兩相共存的情況。此外，涂層的XRD圖譜中出現(xiàn)了一些具有微晶或非晶特征的寬化衍射峰.這是由于等離子體溫度高，等離子焰流對噴涂粉末加熱充分，噴涂后冷卻速度快，在涂層中形成了少量細小的微晶或非晶組織[5]。

圖3 涂層截面放大圖及能譜分析

圖4 Al2O3-TiO2陶瓷涂層XRD分析結(jié)果

2.2 涂層的顯微硬度和磨損性能

AZ91D鎂合金基體及其表面Al2O3-TiO2陶瓷涂層顯微硬度如表3所示(5個點硬度的平均值)，因為涂層中Al2O3聚集的地方組織相對疏松，故測量硬度時打點主要集中在結(jié)構(gòu)致密的TiO2區(qū)域。由測量結(jié)果可見，鎂合金表面噴涂陶瓷涂層的硬度較基體提高了一個數(shù)量級。

表3 硬度結(jié)果

磨損實驗結(jié)果見表4?？梢姡珹Z91D鎂合金噴涂Al2O3-TiO2復(fù)合陶瓷涂層后，表面耐磨性能大大提高，本實驗相同磨損條件下，其磨損失重量僅為鎂合金基體的1%，這主要是由于陶瓷涂層具有較高的硬度，且涂層中低熔點TiO2的存在，使得噴涂過程中涂層的孔隙率降低，涂層更加致密、韌性增加，涂層顆粒之間結(jié)合強度增加[12]。磨損實驗過程中，涂層沒有出現(xiàn)從基體剝離現(xiàn)象。此外，磨損實驗結(jié)束后，陶瓷涂層表面發(fā)現(xiàn)粘有少許黑色物質(zhì)，這應(yīng)該是由于陶瓷涂層耐磨性好于對磨材料45#鋼，導(dǎo)致45#鋼磨損脫落且在磨損產(chǎn)生的熱量下被氧化所致。

表4 磨損實驗結(jié)果 g

2.3 涂層的電化學(xué)性能

圖5為Al2O3-TiO2陶瓷涂層與未噴涂的AZ91D鎂合金基體在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)極化曲線，圖中給出了相應(yīng)的腐蝕電位和腐蝕電流。由圖可見，陶瓷涂層的極化曲線與鎂合金基體相比，整體左移，涂層的腐蝕電位-1.40V較鎂合金基體-1.44V略高，相應(yīng)的腐蝕電流密度5.76×10-2A/cm2較鎂合金基體2.63A/cm2下降近2個數(shù)量級。這表明，AZ91D鎂合金表面噴涂Al2O3-TiO2陶瓷涂層后，有效改善了其表面的抗電化學(xué)腐蝕性能。這一方面是由于陶瓷涂層有效隔離了腐蝕液對鎂合金基體的侵蝕，另一面要歸因于Al2O3-TiO2陶瓷涂層自身良好的抗腐蝕性能。

圖5Al2O3-TiO2陶瓷涂層及未噴涂鎂合金的電化學(xué)極化曲線

3 結(jié)論

采用等離子噴涂技術(shù)在AZ91D鎂合金表面等離子噴涂Al2O3-TiO2，可以在鎂合金表面獲得改性陶瓷涂層。

(1)涂層呈現(xiàn)層狀組織，主要組成相為α-Al2O3、γ-Al2O3和金紅石TiO2。

(2)涂層平均硬度654.2HV，較鎂合金基體提高了一個數(shù)量級；涂層的抗磨損性能明顯優(yōu)于鎂合金基體，本實驗相同磨損條件下，其磨損失重量僅為鎂合金的1%。(3)涂層有效改善了鎂合金表面的抗電化學(xué)腐蝕性能。在3.5%NaCl溶液中，其腐蝕電位略高于鎂合金基體，腐蝕電流密度較鎂合金下降了近2個數(shù)量級。

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