镁合金表面耐腐蚀涂层的制备

蔡铭泽

大连交通大学材料科学与工程学院 辽宁大连 116028

镁合金具有密度小、比强度高等优点，被广泛应用于汽车、医疗、航空等领域。但是，镁合金同样存在易腐蚀、易磨损等缺点，严重限制了其在工程领域的应用。热处理工艺可以改变镁合金的组织结构进而改善其性能，但是会使晶粒粗大，性能不平衡。改变镁合金的化学成分可以提高其硬度及耐蚀性，但成本极高，可用于改善镁合金成分的元素种类有限。利用电镀工艺，可以提高镁合金的表面耐蚀性，同时，改变电镀液成分及酸洗时间，还可以改变镀层与母材的结合强度。利用冷喷涂技术，在镁合金表面喷涂Al-Zn、纯Al涂层，也可以显著提高镁合金表面的耐腐蚀性。因此，通过适当的表面处理工艺，可以在镁合金表面得到具有一定功能的涂层，提高其表面性能。基于此，本文提出一种提高镁合金表面耐腐蚀性的方法[1]。

1 表面熔覆层的制备

选择AZ91D镁合金作为母材，试板的尺寸为100×100×6mm。AZ91是典型的铸造镁合金，具有易加工、易铸造、高强度和低成本等优点。粉末材料为Ni60与WC的混合粉末，混合粉末的质量配比为80%Ni60+20%WC，粉末的粒径在50-150μm，图1为粉末的微观形貌。制备前，利用角磨机清除表面氧化膜，再用丙酮、酒精擦拭表面清除油污，确保母材表面洁净。利用粘接剂将混合粉末预置在镁合金表面，利用等离子弧进行熔覆，实现耐腐蚀层的制备，具体工艺参数如下：电流48A，焊接速度1.5mm/s，等离子气流量2.2L/min，保护气流量15L/min，焊接距离12mm。

图1 粉末的微观形貌

2 试验结果及分析

熔覆层制备后，利用线切割机进行取样。依次用320#、600#、1000#、2000#砂纸对金相试样进行打磨，然后对其抛光处理。用腐蚀液进行侵蚀后，利用扫描电子显微镜进行观察。熔覆层表面平整光滑，没有气孔、裂纹等缺陷。图2为利用扫描电子显微镜观察到的熔覆层的微观组织。熔覆层与镁合金母材之间形成冶金结合，保证了良好的结合强度。在熔覆层内部，可以观察多边形的WC颗粒镶嵌在基体中，在其周围存在颗粒状的碳化物增强相。因此，熔覆层的微观组织特点为：多边形的WC颗粒均匀分布在Ni基体中。

利用显微硬度仪进行硬度测试，载荷时间为15s，载荷要为500g。熔覆层表面的平均硬度为901HV，约为AZ91D母材硬度61HV的15倍。硬度显著提高的主要原因是，熔覆层中具有高硬度的WC颗粒的存在，同时，碳化物增强相颗粒也起到弥散强化作用。显微硬度沿深度方向逐渐降低，主要跟WC在熔覆层不同位置的含量有关[2]。

图2 熔覆层的微观组织

图3 沿截面的显微硬度分布

为了对比研究熔覆层与镁合金母材的耐腐蚀性能，将熔覆层与母材加工成表面为10×10mm的试样，并将其封入环氧树脂中，利用电化学工作站进行极化曲线以及交流阻抗测试。结果表明，母材的腐蚀电流密度（11.803μA·cm-2）高于熔覆层（7.345μA·cm-2），而腐蚀电位（-0.763mV）低于熔覆层（-0.598mV）。一般来说，腐蚀电流密度约小，腐蚀电位越高，说明耐腐蚀越好。熔覆层与母材电化学阻抗谱拟合结果可知，熔覆层的Rp为718Ω·cm2，而母材的Rp为277.7Ω·cm2，说明母材对于电子转移的阻碍能力要弱于熔覆层。综上所述，熔覆层的耐腐蚀要优于镁合金母材[3]。

3 结语

在镁合金表面预置Ni60与WC的混合粉末，通过等离子熔覆技术，可以得到表面成型良好、与镁合金母材形成冶金结合的熔覆层。在熔覆层内部，多边形的WC颗粒镶嵌在基体中，在其周围存在颗粒状的碳化物增强相。熔覆层平均硬度为901HV，耐腐蚀也优于镁合金母材。