镁合金等离子喷Al／Al2O3涂层配比及参数优化

马 凯，张晓庆，孙大千

（1.长春工程学院机电工程学院，长春130012；2.吉林大学材料科学与工程学院，长春130022）

在工程金属结构材料中，镁合金的密度是最小的。因其具有比强度和比刚度高、良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能及易于回收再利用等一系列优点，被誉为21世纪最有前途的绿色结构材料［1－2］，其应用领域也相当广阔，涉及航天、航空、汽车、电子、交通及国防军工等各各方面［3－4］。但是，其耐蚀性和耐磨性相对较差是先天缺陷，不经过处理的镁合金很难在工程结构中进行应用。目前改善其性能的办法主要是对镁合金表面进行处理，处理的方法是制备耐腐蚀和耐磨损的特殊涂层。采用超音速火焰喷涂技术在AZ91和AE42镁合金表面制备 WC／Co涂层，可提高涂层耐磨损性能，但其耐腐蚀性能仍然低。在镁合金表面用电弧喷涂技术制备纯Al涂层，可使镁合金耐腐蚀性能明显增强，但其耐磨损性能会变差。在镁合金表面也可用等离子喷涂技术制备纯Al涂层和Al2O3陶瓷涂层，2种涂层中，前者与母材结合性能好，但耐磨性能差，后者则刚好相反。

在一定条件下，Al和Al2O3两者之间的润湿性和相溶性比较好，Al2O3的熔点和硬度都较高，耐腐蚀性能也好，而且材料来源广泛而容易，综合Al和Al2O3涂层的上述特点，提出Al2O3颗粒增强Al基复合材料（Al／Al2O3）涂层来改善镁合金自身的短板。但要充分熔化高熔点、高硬度的Al2O3粉末颗粒，普通的热源是难以实现的。本文采用等离子粉末喷涂技术在镁合金AZ31表面制备Al／Al2O3复合材料涂层。观察分析不同粉末配比时涂层的划痕试验结果、SEM照片以及XRD衍射数据，确定Al＋Al2O3的合理配方。通过正交试验设计，分别对涂层密度、显微硬度和沉积率等指标进行分析，最后确定复合材料涂层的最优工艺参数。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料和涂层制备

镁合金基材选用AZ31，试样做成长方形，尺寸为40mm×40mm×6mm。粉末喷涂材料为Al和Al2O3的机械混合物，等离子喷涂系统为Praxair－Tafa3710。

1.2 涂层微观组织观察

试验采用JSM－5600LV扫描电子显微镜、D／Max 2500Pc型X射线衍射仪研究Al／Al2O3涂层的组织结构特点，用美国UMT多功能测试系统对涂层进行划痕试验。

2 试验结果与分析

2.1 Al＋Al2O3复合粉末配比优化

Al／Al2O3复合粉末配比中，Al2O3质量分数设定为4种，分别为10%、20%、30%、40%。在条件相同的试验环境下，采用等离子粉末喷涂技术，在AZ31镁合金表面进行复合涂层制备。

2.1.1 涂层划痕测试

划痕试验测得的平均摩擦系数大小反映了涂层表面耐磨损性能［5］。本次划痕试验结果表明，声波测试信号振动频率AE在4种配比的涂层中都比较大。不过随着Al2O3质量分数的增加，涂层表面的平整度有所降低，AE振动的幅度有所增大，但总体振幅不大。图1所示为用不同Al2O3粉末配比制备的涂层的摩擦力和摩擦系数。由图可见，用质量分数为20%的Al2O3复合粉末制备的涂层、摩擦力和摩擦系数都为最大。测得的数据表明，前3个涂层的最大摩擦力和最大摩擦系数的规律相似，随Al2O3质量分数的增加，都同时呈现低→高→低的走势。直到第4种配比制备的涂层时，二者才出现了背离走势，即当Al2O3质量分数增加到40%时，摩擦力陡降，而摩擦系数则略有回升。一般而言，Al2O3质量分数越高，制备的涂层中Al2O3颗粒增强相的含量越多，涂层的耐磨损性能也就越高。但随着Al2O3质量分数的增加，涂层的孔隙率也随之增加，再加上因Al2O3增多导致的其与基材的润湿性下降，会使涂层疏松多孔，密度减小，耐腐蚀性能下降。

图1 不同配比涂层摩擦力和摩擦系数

2.1.2 涂层表面XRD分析

图2所示为Al＋Al2O3复合粉末不同配比制备的各种涂层的XRD分析结果。由图可见，在4种涂层的表面，只有以α－Al2O3形式存在的Al2O3和纯Al两种物质，观察不到其他新的生成相，Al2O3的相结构也没有发生改变。随着Al＋Al2O3复合粉末中的Al2O3质量分数的增加，涂层表面XRD衍射花样中的α－Al2O3强度逐渐增大。经过实验测定，在4种配比制备的各个涂层中，与Al2O3质量分数为10%、20%、30%、40%对应的Al2O3体积分数分别为7%、14%、17%、25%。

2.1.3 涂层表面SEM分析

在Al＋Al2O3复合粉末中，Al2O3质量分数分别为10%、20%、30%、40%时所制备的4种涂层表面的SEM像如图3所示。图3（a）～图3（d）中灰色部分为涂层纯Al基体，白色颗粒状物质为镶嵌在纯Al基体中的Al2O3粉末颗粒，零散分布的不规则深黑色部分为气孔或孔隙等缺陷。分析4张照片可知，随着复合粉末Al2O3质量分数的增加，过渡到涂层中形成增强相的白色Al2O3颗粒也增多，但伴随而来的孔隙率也有所增多，这将导致其耐腐蚀性能下降。图3（a）显示的是Al2O3粉末的质量分数为10%时，作为增强相的Al2O3颗粒在纯Al基体中的分布情况。明显看出增强相过少，分布不均匀，制备的涂层达不到表面改性的目的。图3（b）显示的是Al2O3粉末的质量分数为20%时，作为增强相的Al2O3颗粒在纯Al基体中的分布情况。此时的增强相颗粒能够均匀地镶嵌在纯Al基材中，涂层比较致密，孔隙等缺陷也比较少。图3（c）、（d）显示的是Al2O3粉末的质量分数达到或超过30%以后，作为增强相的Al2O3颗粒在纯Al基体中的分布情况。此时的增强相颗粒在纯Al基材中的分布不是很均匀，涂层比较疏松，孔隙率增加比较明显，涂层的耐磨损性能有所增加，但与基材的润湿性降低，结合强度将会下降。

图2 不同粉末配比的涂层表面XRD图

在等离子焰流中，复合粉末Al＋Al2O3中的Al2O3颗粒属于高温陶瓷，与纯Al相比属于非塑性粒子，单靠其自身与镁合金结合是很难的。只能依靠金属Al粒子的包覆以及与塑性基材的咬合，才能很好地沉积在镁合金表面，其与金属Al粒子的共沉积是最主要的。要想让Al2O3颗粒增强相能均匀弥散分布在涂层中，且保证复合材料涂层稳定的结构致密性，必须选择出合适的配比。实际上，Al和Al2O3粒子并不能按质量分数配比而同比例地沉积在镁合金表面。不同配比的喷涂粉末，其沉积率也不同，而不同的沉积率会导致涂层表层与次表层中Al2O3的成分梯度增大，成分梯度增大又会导致应力梯度增加，最后使涂层与母材的结合强度降低。调整Al＋Al2O3复合粉末的配比，可改变次表层Al2O3的含量，也就能改变涂层的结合强度。对比上述4种配比，从粉末沉积效果上看，用质量分数为20%的Al2O3粉末配比来制备成体积分数为14%的Al2O3涂层，其沉积率是最高的。

图3 不同粉末配比的涂层SEM像

2.2 等离子喷涂工艺参数优化

本次正交试验选择的6个因素为以下参数：A代表喷涂电流（A）；B代表喷涂距离（mm）；C代表主气压力（MPa）、D代表次气压力（MPa）；E代表喷涂速度（mm／s）；F 代表送粉量（g／min），每个因素选择5个试验水平，分别用1、2、3、4、5来表示。构造如表1所示的六因素五水平正交试验因素水平分布表 L25（56）。

表1 正交试验因素水平分布表

实际操作时，按照L25（56）表中的数据安排25次试验，分别测定各涂层的厚度、质量、面积和显微硬度值，然后按照涂层厚度、面积和质量的测量值来计算其密度，之后用涂层的表面积和送粉量来计算沉积率，并以此代表涂层的力学性能，获得正交试验结果测试数值表。

2.2.1 试验数据计算和分析

根据上述正交试验结果的数据，选用极差分析法，计算分析各因素对涂层密度、显微硬度和沉积率等指标的影响。当某因素（如送粉量或主气压力2个因素）对应的5个水平变动时，某一个指标（如密度指标）的波动比较大，而当其他因素（如喷涂电流或喷涂速度2个因素）的5个水平变动时，该指标（如密度指标）的波动比较小。这样就可以根据计算出的极差数值大小，排列出各个因素对该指标影响的主次关系。如针对密度指标而言，送粉量这个参数对其影响是最主要的，主气压力这个参数对其影响次之，而其他参数对其影响就比较弱了。

为直观了解6个因素对3个指标的影响程度，绘制了因素—指标坐标图。其中的各个因素用横坐标来表示，如主气压力、送粉量等，而显微硬度、密度、沉积率等3个指标用纵坐标来表示，把需要研究的指标经过极差分析后的具体数据在坐标系中打上点，之后把各个点连成折线，形成因素—指标坐标图，其中图4所示为喷涂电流—密度指标图。同理可得出喷涂距离—密度指标图、主气压力—密度指标图、次气压力—密度指标图、喷涂速度—密度指标图、送粉量—密度指标图，在此不一一给出。对比上述6个图可知：密度指标最大值出现在喷涂电流为700A（水平1）的时刻，其余4个电流（对应水平2～水平5）的密度指标值则较低；喷涂距离指标在90mm时是个分水岭，之前呈上升趋势，之后则呈下降趋势；主气压力指标在0.48MPa时是个分水岭，之前呈上升趋势，之后呈下降趋势；次气压力指标在0.14MPa时最小，然后大斜率上升到0.21MPa时达到最大，之后又下降；喷枪移动速度（喷涂速度）指标在500mm／s时最小，400mm／s最大。理论上当速度小于400mm／s时应该能获得更大密度的涂层，但由于镁合金的熔点较低，当速度小于400mm／s时，试样在高温停留时间较长，容易过热或烧损，所以喷涂速度指标不宜过小；送粉量指标在24.2g／min时最小，30.3g／min时最大。

同样按照以上方法分析这6个因素对显微硬度指标的影响：若涂层需要得到较高的显微硬度指标，则选择出的工艺参数为喷涂速度600mm／s，喷涂距离90mm，送粉量30.3g／min，主气压力0.48MPa，次气压力0.14MPa，喷涂电流700A。其中喷涂电流和主气压力对显微硬度指标的影响最大。图5所示为送粉量—显微硬度指标图。

图4 喷涂电流—密度指标图

图5 送粉量—显微硬度指标图

仍然按照以上方法，分析这6个因素对沉积率指标的影响：若涂层需要得到较高的沉积率指标，则选择出的工艺参数为喷涂速度600mm／s，喷涂距离90mm，送粉量30.3g／min，主气压力0.48MPa，次气压力0.14MPa，喷涂电流700A。其中喷涂速度和喷涂距离对沉积率指标的影响最大。图6所示为喷涂速度—沉积率指标图。

图6 喷涂速度—沉积率指标图

2.2.2 参数优化

综合分析以上结果，送粉量是影响涂层质量最主要的因素，其对Al／Al2O3复合材料涂层的显微硬度指标、密度指标、沉积率指标的影响都是最大的。复合材料涂层质量的好坏是由送粉量决定的，送粉量过小，复合材料涂层的制备过程就要加长，工作效率和经济效益将受影响；送粉量过大，将导致Al＋Al2O3复合粉末在基材表面的堆积，熔化不均匀，未熔化的颗粒增多，表面粗糙，涂层孔隙率增加，密度降低，而且使等离子焰流的热焓值下降，喷涂工作区热量供给不足。

喷涂电流、喷涂距离、主气压力是影响涂层质量的次要因素。等离子弧的热焓值直接受喷涂电流的影响，喷涂电流过大，低熔点Al粉会产生汽化和被氧化，镁合金基材温度升高，当这种情况严重时，喷枪的喷嘴也会被烧损，导致工作过程无法进行；喷涂电流过小，等离子弧的燃烧不稳定，工作过程有波动，喷涂粉末熔化不充分，不均匀，层间结合性较差，基材与涂层之间的结合强度降低。

主气压力直接影响到等离子焰流的热焓和流速，进而影响到工作效率，也影响涂层的孔隙率。其对密度指标和显微硬度指标的影响也较为突出。主气压力过大，等离子焰流的热量被带走的也多，热焓值降低，温度下降，粉末的熔化不充分，也不均匀，涂层的孔隙增多，组织疏松；主气压力过小，等离子焰流挺度降低，喷枪的工作电压下降，喷嘴容易烧蚀和堵塞。

喷涂距离决定熔化粒子的飞行时间和飞行距离。喷涂距离过大，熔融粒子在未达到基材表面时就会因温度降低而凝固，或者即使达到基材表面，但其冲击的动能也显得不足，导致涂层与基材结合得不好；当喷涂距离过小时，将导致基材熔化、氧化甚至烧损而Al2O3颗粒未熔化的现象。

次气压力主要与喷涂电压有关，由于试验设备的工作特性为低电压大电流，当喷涂电流选定时，设备的电压调节范围就已经被限定了，次气压力的变化范围比较小，对喷涂过程影响不明显。所以，次气压力对涂层质量的影响较小。

等离子焰流的速度很大，而喷枪的横向摆动速度相对较小，正常的喷涂速度对喷涂过程影响不明显。需要注意的是，镁合金的熔点低，如果喷枪的摆动速度过小，会使基材过热，熔化粒子堆积；如果喷枪的摆动速度过大，基材获得的热量可能不足，导致涂层与基材的结合强度降低。

由以上分析可以得出，要保证涂层的显微硬度、密度和沉积率3个指标都符合要求，最优的等离子喷涂参数为：喷涂距离90mm、喷涂速度400mm／s、送粉量30.3g／min、主气压力0.48MPa、次气压力0.21MPa、喷涂电流700A。

3 结语

1）分析不同粉末配比时涂层的划痕试验结果、SEM照片以及XRD衍射数据，选择出的Al＋Al2O3复合粉末配方为：Al2O3质量分数为20wt%，纯Al质量分数为80wt%。

2）正交试验表明：送粉量对涂层性能的影响最大，次气压力和喷涂速度对涂层性能的影响最小，喷涂电流、主气压力和喷涂距离介于二者之间。

3）优化后的工艺参数：喷涂距离90mm、喷涂速度400mm／s、送粉量30.3g／min、主气压力0.48MPa、次气压力0.21MPa、喷涂电流700A。

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