专利名称：一种降低镁合金表面喷涂涂层扩散温度的方法
技术领域：
本发明涉及一种金属表面纳米化和涂层扩散热处理技术，尤其是指镁合金表面喷 铝、喷锌以及锌铝涂层扩散温度降低的技术，属于材料科学领域。
背景技术：
镁合金耐蚀性差，人们采用了各种涂层保护以使镁合金基体免遭腐蚀介质的浸蚀。 目前普遍采用阳极氧化处理、化学转化处理、电镀、环氧树脂密封、油漆、搪瓷等，这 些表面处理的涂层较薄，耐蚀性受到一定限制，电镀和阳极氧化均存在受设备尺寸限制 和排除废液的问题。因此，世界各国相继开展了镁合金表面等离子微弧阳极氧化、激光 表面热处理和激光表面合金化以及物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或电子束 蒸发等表面处理方法的研究。这些现代的镁合金表面改性技术利用设备优势可以得到比 传统表面处理优异的防蚀层，但除微弧阳极氧化只须简单的电源(但要求高电压和高电 流，生产成本高)以外，其它技术均须特殊的昂贵设备或需在真空等苛刻的条件下进行， 除航空航天或军事等高附加值领域的特殊部件采用这些技术外，其市场前景受到了一定 限制。而微弧氧化涂层虽然与基体结合好，但表面硬的陶瓷层很容易在随后的装配或上 螺丝的过程中局部脱落， 一旦镁合金表面有新鲜表面出现，则会形成原电池的两个极， 这样会加速镁合金的腐蚀。本申请人已申报了一项发明专利"一种提高镁合金耐蚀性的表面处理方法"，公开 号CN1737212，利用热喷涂方法在镁合金表面进行铝、铝锌涂层的制备，同时进行相 应的扩散处理，以提高耐蚀性。热喷涂由于操作简单，设备要求不高，目前在汽车等工 业领域中已普遍应用，而且铝的耐蚀性好，铝涂层在镁合金的回收中也没有任何副作用， 因而，在镁合金上喷涂铝涂层具用广阔的应用前景。但是，镁合金表面喷涂铝涂层必须 经过扩散热处理，形成冶金结合才能有效的提高耐蚀性，而目前镁铝形成冶金结合所必 须的扩散热处理温度都必须在43(TC左右，这样的高温会有损于镁合金基体的其他性能。发明内容针对上述的不足，本发明的目的在于提供一种基于表面纳米化降低镁合金表面喷涂 涂层扩散温度的方法，采用表面纳米化技术不仅可以降低镁合金表面涂层的扩散温度，
而且可以取消喷涂前所必须的喷砂预处理工艺，无需特殊的工艺步骤，既去除了基体表 面的氧化皮和粗化表面，也使镁合金基体表面生成一层纳米晶，从而可以节约喷涂前的 处理时间，提高生产效率。为实现上述目的，本发明采用的技术手段如下首先，在对镁合金表面进行热喷涂铝涂层前，先对清洗干净的镁合金表面进行表面 纳米化处理，使镁合金表面晶粒细化至纳米尺寸，并去除镁合金表面的氧化皮和粗化以 增强涂层与基体的机械铆合结合力。然后，在表面纳米化镁合金基体表面热喷涂铝或锌或锌铝复合涂层，喷涂的工艺参 数是空气压力0. 5—1. 2Mpa，氧气压力0. 2—0. 6MPa，乙炔压力0. 04—0.10Mpa。最后，将喷涂后的试样放进普通热处理炉中在200'C—40(TC下保温处理， 一般0.5 —4h，促使涂层与基体形成冶金结合，试样取出后空冷至室温。表面纳米化是近几年才出现的一种新概念，它是指利用各种物理、化学的方法在材料表面制备出纳米晶粒结构的表层，从而提高表面各种性能如耐疲劳、耐磨损和耐腐蚀 性能等。在材料表面获得纳米结构表层主要途径有三种表面涂覆或沉积方法、表面自 身纳米化方法和混合纳米化方法。这里的表面自身纳米化方法主要是通过各种机械方法，如表面机械研磨、高能喷丸、 超声喷丸和超音速颗粒轰击等使材料表面迅速产生强烈的大量塑性变形促使表面晶粒 破碎并逐渐细化到纳米级。这些方法是纳米处理的通常方法，只是处理的工艺参数要做 一定控制，如采用高能喷丸纳米化处理，是在常温下进行的，处理时间为5—30min，弹 丸材料是不锈钢，直径为l一l. 5mm，颗粒速率是100—200m/s。超音速颗粒轰击法(SSPB) 是采用氧化铝颗粒，直径为20-50 n m,压縮空气压力2-3MPa,空气温度40-5(TC 。目前，这种通过强烈塑性变形诱发表面纳米化的研究主要集中在其制备技术、表面 纳米化机理的基础研究方面，在其应用基础研究方面也仅仅在纯铁和钢上进行了表面纳 米化后渗氮化学热处理。对镁合金表面进行纳米化处理后，可以有效降低镁合金表面喷铝涂层扩散温度，原 理如下首先，通过表面机械研磨、高能喷丸、超声喷丸和超音速颗粒轰击等使镁合金表面 产生纳米晶后，增加表面晶粒的比表面积和晶界体积分数，提高晶粒的表面自由能，从 而在相同的温度条件下，表面纳米化的镁合金表面原子比未纳米化的镁合金表面原子具 有更高的能量，扩散的动力也更大。
其次，由于表面纳米化的镁合金表面原子具有大量的非平衡晶界，可以作为喷铝涂 层中的铝向基体镁扩散的动力源和快速通道，从而提高铝涂层或锌涂层或铝锌复合涂层 向镁基体的扩散速率，置换/间隙型原子扩散能力显著提高，通过原子扩散实现亚稳非 平衡新相的形成。最后，通过表面纳米化可以使镁合金中P第二相细化和改变其分布形貌，并且可能 增加铝在镁中的固溶极限，从而在相同的温度下，镁合金表层可以溶解更多的铝原子， 换句话说在相同固溶极限下，纳米化后的表层所处的温度就有可能比未纳米化处理时的 温度低。本发明的优点在于充分利用热喷涂方法的操作简单，设备要求不高，易于普及应用， 铝、锌涂层耐蚀性高和在镁合金的回收中也没有任何副作用等特点，结合表面纳米化技 术实现镁合金耐蚀性提高和表面喷涂涂层扩散温度的降低。 一方面，表面纳米化可以代 替常规热喷涂前喷砂预处理，去除氧化皮和粗化表面提高涂层与基体之间的结合力，因 而，表面纳米化技术无需特殊的工艺步骤，不影响生产效率。另一方面，表面纳米化可 以在基体表面产生纳米晶，提高镁原子和铝原子互扩散的能力，降低铝涂层的扩散温度， 从而不影响镁合金基体的其他性能。表面纳米化后其硬度有所增加，自腐蚀电位得到提 高。
图1是热喷涂前表面纳米化后试样表面形貌2是表面纳米化以及在不同温度扩散的衍射谱图3是扩散前涂层与基体结合层截面形貌4是未纳米化处理镁合金基体热喷涂铝涂层并在400°C图5是40(TC扩散处理后涂层与基体结合层截面形貌图 图6是AZ31变形镁合金表面纳米化组织形貌图具体实施方式
实施例1表面纳米化AZ91D铸态镁合金表面喷涂铝涂层及扩散处理 首先，将AZ91D铸态镁合金试样在SiC砂纸上粗磨，使其表面光滑平整无油渍，对 清洗后的试样表面进行纳米化处理，具体是采用高能喷丸表面纳米化处理，在常温下进 行的，处理时间为30min，弹丸材料采用不锈钢，直径为1.5mra,颗粒速率是180m/s。通 过该处理使镁合金表面晶粒细化至纳米尺寸，并去除镁合金表面的氧化皮和粗化以增强 涂层与基体的机械铆合结合力。其处理后的表面形貌如图l所示，可见在表面100um以 内由于形成了纳米晶涂层与基体的腐蚀情况差异造成了涂层与基体颜色的差异。经X射 线衍射分析其表面晶粒大小平均为24. 1纳米。图2显示了表面纳米化处理后在不同温 度扩散的衍射谱，可见经加热扩散后其衍射峰发生移动，衍射谱线由粗化变得尖锐细化， 说明有了纳米晶的回复长大。然后，在试样表面纳米化后，在其表面热喷涂铝涂层，喷涂工艺参数为空气压力 0.8MPa，氧气压力0.4MPa,乙炔压力0.07MPa，其截面形貌如图3所示。最后，将喷涂后的试样放在普通热处理炉中在40(TC下保温处理3h，进行扩散处理， 促使涂层与基体形成冶金结合，取出后空冷至室温。试样在40(TC热扩散处理后的截面 形貌如图4所示，从图中可以看出，在涂层与基体之间形成了新物质，说明它们之间形 成了冶金结合。对比未进行表面纳米化处理，而是进行一般的喷砂前处理，后续工艺完 全相同下喷涂铝涂层在40(TC热扩散后的截面5，可见喷涂涂层与基体镁没有形成 新相，扩散不明显。而经纳米化处理后的试样镁基体与涂层有非常明显的扩散，同时产 生了成分比例为Mg2Al新相。实施例2:表面机械研磨法(SMAT)对镁合金表面纳米化后喷涂铝涂层及扩散处理首先，对AZ31变形镁合金表面进行预处理，过程与实例1相同。采用表面机械研 磨法(SMAT)对清洗后镁合金试样进行表面纳米化处理，处理工艺参数为不锈钢弹丸， 直径为8mm，振动频率20kHz，时间60min。试样表面纳米化后，在其表面热喷涂铝涂层，喷涂工艺参数空气压力0.7MPa，氧气压 力0.5MPa,乙炔压力0.05MPa，最后，将喷涂后的试样放在普通热处理炉中在30(TC下保温 处理4h，进行扩散处理，促使涂层与基体形成冶金结合，取出后空冷至室温。由图6可见，保温处理后涂层与基体之间发生了互扩散，说明涂层与基体之间形成 冶金结合。实施例3:表面超声喷丸法(UUSP)对镁合金表面喷涂铝涂层及扩散处理首先，对AM60变形镁合金试样表面进行预处理，过程与实例1相同。采用表面超声喷丸法(UUSP)对清洗后的镁合金试样进行表面纳米化处理，处理工艺参数为不锈钢弹丸，直径为3咖，振动频率20kHz,时间1 5min。待试样表面纳米化后，在其表面热喷涂铝涂层，喷涂工艺参数空气压力O.eMPa，氧气压力0.5MPa,乙炔压力0.06MPa，最后，将喷涂后的试样放在普通热处理炉中在250'C下保温处理4h，进行扩散处理，促使涂层与基体形成冶金结合，取出后空冷至室温。
保温处理后涂层与基体之间同样发生互扩散，形成冶金结合。 实施例4:超音速颗粒轰击法(SSPB)对AM50铸造镁合金表面喷涂铝涂层及扩散处理 首先，对AM50变形镁合金试样表面预处理过程与实施例1相同； 然后，采用超音速颗粒轰击法(SSPB)对镁合金试样进行表面纳米化处理，处理工艺 参数为氧化铝颗粒，直径为50pm，压缩空气压力3MPa，空气温度50'C，时间3min。 试样表面纳米化后，在其表面热喷涂铝涂层，喷涂工艺参数与上述实施例l相同。最后，将喷涂后的试样放在普通热处理炉中在40(TC下保温处理2.5h，进行扩散处 理，促使涂层与基体形成冶金结合，取出后空冷至室温。保温处理后涂层与基体之间发生了互扩散，得到了与实例1相似的结果。
权利要求
1、一种降低镁合金表面喷涂涂层扩散温度的方法，其特征在于首先，在对镁合金基体表面进行热喷涂涂层前，先对清洗干净的镁合金表面进行纳米化处理，使镁合金表面晶粒细化至纳米尺寸，并去除镁合金表面的氧化皮和粗化以增强涂层与基体的机械铆合结合力；然后，在表面纳米化镁合金基体表面热喷涂铝或锌或锌铝复合涂层；最后，将喷涂后的试样放进普通热处理炉中在200℃-400℃下保温处理，促使涂层与基体形成冶金结合，试样取出后空冷至室温。
2、 根据权利要求1所述的降低镁合金表面喷涂涂层扩散温度的方法，其特征在于 对镁合金基体表面的纳米化处理可采用表面机械研磨、高能喷丸、超声喷丸和超音速颗 粒轰击方式。
3、 根据权利要求2所述的降低镁合金表面喷涂涂层扩散温度的方法，其特征在于-所述高能喷丸纳米化处理是在常温下进行，处理时间为5—30min,弹丸材料为不锈钢， 直径为1 — 1. 5咖，颗粒速率是100—200m/s。
4、 根据权利要求2所述的降低镁合金表面喷涂涂层扩散温度的方法，其特征在于所述超音速颗粒轰击纳米化处理是采用氧化铝颗粒，直径为20-50!xm，压縮空气压力 2-3MPa,空气温度40-50°C,时间2-3min。
5、 、根据权利要求l、 2、 3或4所述的降低镁合金表面喷涂涂层扩散温度的方法， 其特征在于所述热喷涂铝或锌或锌铝复合涂层的喷涂工艺参数是空气压力0.5— 1.2Mpa,氧气压力0.2—0.6MPa,乙炔压力0.04—0. lOMPa。
全文摘要
本发明提出一种降低镁合金表面喷涂涂层扩散温度的方法，首先，在对镁合金基体表面进行热喷涂涂层前，先对镁合金表面进行纳米化处理，使镁合金表面晶粒细化至纳米尺寸，并去除镁合金表面的氧化皮和粗化以增强涂层与基体的机械铆合结合力；然后再热喷涂铝或锌或锌铝复合涂层；最后在普通热处理炉中200℃-400℃下保温处理，促使涂层与基体形成冶金结合。本方法采用表面纳米化技术不仅可以降低镁合金表面涂层的扩散温度，而且可以取消喷涂前所必须的喷砂预处理工艺，无需特殊的工艺步骤，既去除了基体表面的氧化皮和粗化表面，也使镁合金基体表面生成一层纳米晶，从而可以节约喷涂前的处理时间，提高生产效率。
文档编号C23C4/06GK101161853SQ20071009248
公开日2008年4月16日 申请日期2007年7月27日 优先权日2007年7月27日
发明者津 张, 杨栋华, 欧信兵, 莹 王, 麻彦龙, 龚喜兵 申请人:重庆工学院