一种含中间层的高强耐蚀铝/镁异种合金接头及其制备方法与流程

本发明属于异种材料连接领域，具体涉及铝合金与镁合金异种接头的制备方法。

背景技术

我国汽车市场的快速增长给环境保护和能源储备带来很大压力，在人居环境日益恶化、能源储量总体不足的背景下，汽车的节能减排尤为迫切。对于满足欧iv排放标准的汽车，每百公里油耗y和汽车自重x之间存在简单的线性关系：y＝0.003x+3.3434，可见汽车轻量化是我国汽车工业可持续发展的重要途径。

汽车轻量化通常按照车身-底盘-动力总成-电气和空调系统的顺序进行，车身系统约占整车质量的1/4～1/3，车身轻量化可以直接降低整车质量，在保证原有安全和动力性能不变的前提下，底盘系统和动力总成可以相应减重，在此基础上匹配更轻的电气和空调系统，从而实现整车轻量化的良性循环。多材料车身在兼顾质量和成本的前提下，通过在不同部位使用合适的材料和制造工艺，可有效提升汽车刚度、碰撞性能、机械疲劳和耐腐蚀性能，是汽车轻量化领域的研究热点。铝合金和镁合金作为重要的汽车轻量化材料，在多材料车身中应用前景广阔，合适的铝/镁异种合金连接工艺及接头质量是提升汽车轻量化效果的关键因素，近年来已得到汽车企业的广泛关注。

研究表明，传统熔焊工艺(氩弧焊、电阻焊、激光焊等)会在铝/镁异种合金界面处形成与母材物理化学性质迥异的al-mg金属间化合物，这些硬而脆的有害相会引发接头产生电化学腐蚀和应力变形，对接头质量造成严重影响。车辆在行驶时会暴露在风霜雨雪、高温高湿、化学侵蚀、砂石飞溅等恶劣环境中，异质接头中的物相差异和微观缺陷(如气孔、裂纹、缝隙等)会加速车身的腐蚀，同时颠簸震动会引起接头强度下降而发生断裂，破坏车辆性能，因此需要开发高强耐蚀铝/镁异种合金接头的制备方法。

技术实现要素：

本发明针对铝/镁异种合金接头强度低、腐蚀性能差的问题，提供了一种含中间层的高强耐蚀铝/镁异种合金接头，即在镁合金和铝合金之间添加co-cr复合金属涂层作为中间层，形成铝合金/中间层/镁合金异种接头。co-cr中间层具有良好的热稳定性，可以减缓al与mg之间的剧烈反应；并且co和cr表面可形成稳定致密的钝化膜，能够提高接头的耐腐蚀性能。制备方法结合了离子注入沉积与搅拌摩擦焊，通过cr离子注入沉积(形成内层)和co离子注入沉积(形成外层)在镁合金表面制备co-cr中间层，然后利用搅拌摩擦焊对铝合金/中间层/镁合金接头进行连接。

本发明的技术方案为：

一种含中间层的高强耐蚀铝/镁异种合金接头，所述接头由上到下依次为铝合金、中间层、镁合金；所述铝合金为5系或6系铝合金板材，所述镁合金为az系或zk系镁合金板材，所述中间层为co-cr复合金属涂层；

所述co-cr复合金属涂层厚度为2.8～6.6μm；

所述接头的抗拉强度为3.5～4.2kn；自腐蚀电位为-1.16～-0.82v，自腐蚀电流密度为3.0×10^-7～5.0×10^-8a/cm²。

一种高强耐蚀铝/镁异种合金接头的制备方法，包括如下步骤：

第一步：板材表面预处理

对待焊铝合金板材和镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，去除表面氧化皮和杂质，然后利用0.25μm粒径金刚石研磨膏进行机械抛光，随后用2％体积分数盐酸酒精溶液进行化学抛光，去除表面抛痕，最后依次在丙酮和酒精中超声清洗20min，冷风吹干。

第二步：co-cr中间层制备

(a)将第一步表面预处理的镁合金板材放入离子注入沉积复合镀膜机中进行铬离子注入沉积，采用纯铬作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量1×10¹⁵～1×10¹⁷ions/cm²，注入电压4～14kev，注入电流2～8ma，沉积电量1×10⁶～1×10⁸mc，负偏压-90～-120v，从而得到铬离子注入沉积层；

优选地，离子注入剂量5×10¹⁵～5×10¹⁶ions/cm²，注入电压6～10kev，注入电流4～6ma，沉积电量5×10⁶～5×10⁷mc，负偏压-100～-110v。

(b)对铬离子注入沉积的表面进行钴离子注入沉积，采用纯钴作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量1×10¹⁴～1×10¹⁶ions/cm²，注入电压5～15kev，注入电流6～12ma，沉积电量1×10⁷～5×10⁸mc，负偏压-100～-130v，从而得到co-cr复合金属涂层；样品台转速6r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°；

优选地，离子注入剂量2×10¹⁴～6×10¹⁵ions/cm²，注入电压8～12kev，注入电流8～10ma，沉积电量5×10⁷～1×10⁸mc，负偏压-110～-120v。

第三步：搅拌摩擦焊接

将第一步表面预处理的铝合金板材与第二步制备的具有co-cr复合金属涂层的镁合金板材进行搭接，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为240mm×140mm×3mm，搭接区宽度40～60mm，利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，搅拌工具沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速800～1200rpm，焊速50～200mm/min，搅拌针压入上层板材深度2.5～5.0mm，最终制备铝合金/co-cr中间层/镁合金异种接头。

优选地，转速900～1100rpm，焊速100～150mm/min，搅拌针压入上层板材深度3.0～4.0mm。

上述方法制备的铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头具有co-cr中间层，通过优化离子注入沉积工艺参数，得到了厚度为2.8～6.6μm的梯度结构co-cr复合金属涂层，搅拌摩擦焊作为一种先进的固态焊接工艺，可以通过摩擦热、金属混合、剧烈塑性变形的综合作用提高铝合金与镁合金之间的连接强度，通过表面改性与固相焊接工艺的有效结合，可以有效减缓al与mg之间的反应，抑制界面处al-mg金属间化合物的形成，改善接头微观组织结构，进而提高接头的力学强度和腐蚀性能。

本发明的有益效果为：

(1)发明人通过大量试验，得到离子注入沉积制备co-cr复合金属涂层的最优工艺参数范围，对于铬离子注入沉积，离子注入剂量1×10¹⁵～1×10¹⁷ions/cm²，注入电压4～14kev，注入电流2～8ma，沉积电量1×10⁶～1×10⁸mc，负偏压-90～-120v；对于钴离子注入沉积，离子注入剂量1×10¹⁴～1×10¹⁶ions/cm²，注入电压5～15kev，注入电流6～12ma，沉积电量1×10⁷～5×10⁸mc，负偏压-100～-130v。在此工艺参数范围，可以得到均匀致密、结合良好的co-cr复合金属涂层。

(2)搅拌摩擦焊是一种先进的固相焊接技术，大量试验表明，在转速800～1200rpm，焊速50～200mm/min，搅拌针压入上层板材深度2.5～5.0mm的工艺参数范围内，易形成结合强度优异的接头，同时可促进co-cr中间层与铝合金和镁合金的混合，使界面处形成牢固的机械互锁结构。转速过低、焊速过高时，材料塑性流动不充分，相互之间混合程度不足；转速过高、焊速过低时，会产生过量摩擦热，极易形成大量硬而脆的al-mg金属间化合物，成为微裂纹源，对接头强度不利。根据本发明工艺，可以得到良好的接头力学强度，接头抗拉强度达到3.5～4.2kn，与不含中间层的铝/镁异种合金接头相比，抗拉强度提高了59～91％。

(3)离子注入沉积制备的高热稳定性co-cr中间层减缓了al与mg之间的反应，co与cr合金元素的协同作用能够改善铝/镁异种合金接头的组织结构，有效抑制al-mg金属间化合物，大幅度提高了接头的耐腐蚀性能，接头自腐蚀电位为-1.16～-0.82v，自腐蚀电流密度为3.0×10^-7～5.0×10^-8a/cm²，与不含中间层的铝/镁异种合金接头相比，自腐蚀电位提高了370～850mv，自腐蚀电流密度降低了2～3个数量级。

附图说明

图1为实施例1中co-cr中间层的微观形貌。

图2为实施例1中co-cr中间层制备前后铝/镁异种合金接头腐蚀性能对比。

图3为实施例1中co-cr中间层制备前后铝/镁异种合金接头力学性能对比。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明中一种用于多材料车身的高强耐蚀铝/镁异种合金接头的制备方法，具体实施这种制备方法有下列步骤：

第一步：板材表面预处理

对待焊铝合金板材和镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，去除表面氧化皮和杂质，然后利用0.25μm粒径金刚石研磨膏进行机械抛光，随后用2％体积分数盐酸酒精溶液进行化学抛光，去除表面抛痕，最后依次在丙酮和酒精中超声清洗20min，冷风吹干。

第二步：co-cr中间层制备

(a)将第一步表面预处理的镁合金板材放入离子注入沉积复合镀膜机中进行铬离子注入沉积，采用纯铬作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量1×10¹⁵～1×10¹⁷ions/cm²，优选5×10¹⁵～5×10¹⁶ions/cm²，注入电压4～14kev，优选6～10kev，注入电流2～8ma，优选4～6ma，沉积电量1×10⁶～1×10⁸mc，优选5×10⁶～5×10⁷mc，负偏压-90～-120v，优选-100～-110v，从而得到铬离子注入沉积层；

(b)对铬离子注入沉积的表面进行钴离子注入沉积，采用纯钴作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量1×10¹⁴～1×10¹⁶ions/cm²，优选2×10¹⁴～6×10¹⁵ions/cm²，注入电压5～15kev，优选8～12kev，注入电流6～12ma，优选8～10ma，沉积电量1×10⁷～5×10⁸mc，优选5×10⁷～1×10⁸mc，负偏压-100～-130v，优选-110～-120v，从而得到co-cr复合金属涂层，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速6r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°。

第三步：搅拌摩擦焊接

将第一步表面预处理的铝合金板材与第二步制备的具有co-cr复合金属涂层的镁合金板材进行搭接，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为240mm×140mm×3mm，搭接区宽度50mm，利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，搅拌工具沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速800～1200rpm，优选900～1100rpm，焊速50～200mm/min，优选100～150mm/min，搅拌针压入上层板材深度2.5～5.0mm，优选3.0～4.0mm，最终制备铝合金/co-cr中间层/镁合金异种接头。

将本发明所述方法制备的含co-cr中间层铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头进行表面和横截面微观组织结构分析，可知该接头由焊接中心线向外依次分为搅拌区、热力影响区、热影响区和母材四个区域，co-cr中间层有效减少了界面处al-mg金属间化合物的形成，搅拌区中铝合金、co-cr中间层与镁合金相互混合，未发现明显焊接缺陷。

下面通过具体实施例进行详细介绍。

实施例1：

第一步：板材表面预处理

对待焊5052铝合金板材和zk60镁合金板材进行表面预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，去除表面氧化皮和杂质，然后利用0.25μm粒径金刚石研磨膏进行机械抛光，随后用2％体积分数盐酸酒精溶液进行化学抛光，去除表面抛痕，最后依次在丙酮和酒精中超声清洗20min，冷风吹干。

第二步：co-cr中间层制备

(a)将第一步表面预处理的zk60镁合金板材放入离子注入沉积复合镀膜机中进行铬离子注入沉积，采用纯铬(99.99％)作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量5×10¹⁵ions/cm²，注入电压6kev，注入电流4ma，沉积电量5×10⁶mc，负偏压-100v，从而得到铬离子注入沉积层；

(b)对铬离子注入沉积后zk60镁合金板材继续进行钴离子注入沉积，采用纯钴(99.95％)作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量2×10¹⁴ions/cm²，注入电压8kev，注入电流8ma，沉积电量5×10⁷mc，负偏压-110v，从而得到co-cr复合金属涂层，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速6r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°。

第三步：搅拌摩擦焊接

将第一步表面预处理的5052铝合金板材与第二步制备的具有co-cr复合金属涂层的zk60镁合金板材进行搭接，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为240mm×140mm×3mm，搭接区宽度50mm，利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，搅拌工具沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速900rpm，焊速100mm/min，搅拌针压入上层板材深度3.0mm，最终制备5052铝合金/co-cr中间层/zk60镁合金异种接头。

对实施例1中制得的试样进行结构分析和性能检测：

(a)co-cr中间层微观形貌：

采用扫描电镜对co-cr中间层微观形貌进行观察。由附图1可见，实施例1制备的co-cr中间层厚度约为2.8μm，内层cr层约为1.5μm，外层co层约为1.3μm，涂层整体均匀致密，未发现微裂纹和孔洞。

(b)co-cr中间层对铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头腐蚀性能的影响：

co-cr中间层制备前后铝/镁异种合金接头的腐蚀性能在25℃，3.5％nacl溶液中进行电化学测试，采用三电极体系，铂极作为辅助电极，饱和甘汞作为参比电极，电位扫描速度为0.001v/s。由附图2可见，实施例1制备的含co-cr中间层铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头的自腐蚀电位为-1.16v，自腐蚀电流密度为3.0×10^-7a/cm²，与不含中间层接头相比，co-cr中间层使自腐蚀电位提高了370mv，自腐蚀电流密度降低了近400倍，co-cr中间层显著提高了接头的耐腐蚀性能。

(c)co-cr中间层对铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头力学性能的影响：

采用拉伸试验测试接头的力学性能，温度25℃，应变速率0.5mm/min。由附图3可见，实施例1制得的含co-cr中间层铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头的抗拉强度达到3.5kn，与不含中间层接头相比，co-cr中间层使接头抗拉强度提高了59％。

实施例2：

第一步：板材表面预处理

对待焊6061铝合金板材和az31b镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，去除表面氧化皮和杂质，然后利用0.25μm粒径金刚石研磨膏进行机械抛光，随后用2％体积分数盐酸酒精溶液进行化学抛光，去除表面抛痕，最后依次在丙酮和酒精中超声清洗20min，冷风吹干。

第二步：co-cr中间层制备

(a)将第一步表面预处理的az31b镁合金板材放入离子注入沉积复合镀膜机中进行铬离子注入沉积，采用纯铬作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量1×10¹⁶ions/cm²，注入电压8kev，注入电流5ma，沉积电量1×10⁷mc，负偏压-105v，从而得到铬离子注入沉积层。

(b)对铬离子注入沉积后镁合金板材进行钴离子注入沉积，采用纯钴作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量8×10¹⁴ions/cm²，注入电压10kev，注入电流9ma，沉积电量6×10⁷mc，负偏压-115v，从而得到co-cr复合金属涂层，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速6r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°。

第三步：搅拌摩擦焊接

将第一步表面预处理的6061铝合金板材与第二步制备的具有co-cr复合金属涂层的az31b镁合金板材进行搭接，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为240mm×140mm×3mm，搭接区宽度50mm，利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，搅拌工具沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速1000rpm，焊速120mm/min，搅拌针压入上层板材深度3.2mm，最终制备6061铝合金/co-cr中间层/az31b镁合金异种接头。

经性能检测，该方法制备的co-cr中间层厚度为3.6μm，含co-cr中间层铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头的自腐蚀电位为-1.01v，自腐蚀电流密度为2.5×10^-7a/cm²；抗拉强度为3.8kn，与不含中间层接头相比，co-cr中间层使接头自腐蚀电位提高了520mv，自腐蚀电流密度降低了477倍，抗拉强度提高了73％。

实施例3：

第一步：板材表面预处理

对待焊6016铝合金板材和az80镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，去除表面氧化皮和杂质，然后利用0.25μm粒径金刚石研磨膏进行机械抛光，随后用2％体积分数盐酸酒精溶液进行化学抛光，去除表面抛痕，最后依次在丙酮和酒精中超声清洗20min，冷风吹干。

第二步：co-cr中间层制备

(a)将第一步表面预处理的az80镁合金板材放入离子注入沉积复合镀膜机中进行铬离子注入沉积，采用纯铬作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量3×10¹⁶ions/cm²，注入电压9kev，注入电流6ma，沉积电量3×10⁷mc，负偏压-108v，从而得到铬离子注入沉积层；

(b)对铬离子注入沉积后镁合金板材进行钴离子注入沉积，采用纯钴作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量2×10¹⁵ions/cm²，注入电压11kev，注入电流10ma，沉积电量8×10⁷mc，负偏压-118v，从而得到co-cr复合金属涂层，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速6r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°。

第三步：搅拌摩擦焊接

将第一步表面预处理的6016铝合金板材与第二步制备的具有co-cr复合金属涂层的az80镁合金板材进行搭接，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为240mm×140mm×3mm，搭接区宽度50mm，利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，搅拌工具沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速1050rpm，焊速140mm/min，搅拌针压入上层板材深度3.8mm，最终制备6016铝合金/co-cr中间层/az80镁合金异种接头。

经性能检测，该方法制备的co-cr中间层厚度为4.8μm，含co-cr中间层铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头的自腐蚀电位为-0.96v，自腐蚀电流密度为1.0×10^-7a/cm²；抗拉强度为4.0kn；与不含中间层接头相比，co-cr中间层使接头自腐蚀电位提高了570mv，自腐蚀电流密度降低了1192倍，抗拉强度提高了82％。

实施例4：

第一步：板材表面预处理

对待焊5005铝合金板材和az91d镁合金板材表面进行预处理，依次在500#、1000#、1500#、2000#和2500#水砂纸上进行打磨，去除表面氧化皮和杂质，然后利用0.25μm粒径金刚石研磨膏进行机械抛光，随后用2％体积分数盐酸酒精溶液进行化学抛光，去除表面抛痕，最后依次在丙酮和酒精中超声清洗20min，冷风吹干。

第二步：co-cr中间层制备

(a)将第一步表面预处理的az91d镁合金板材放入离子注入沉积复合镀膜机中进行铬离子注入沉积，采用纯铬作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量5×10¹⁶ions/cm²，注入电压10kev，注入电流6ma，沉积电量5×10⁷mc，负偏压-110v，从而得到铬离子注入沉积层；

(b)对铬离子注入沉积后az91d镁合金板材进行钴离子注入沉积，采用纯钴作为阴极靶材，在真空度1×10^-4pa起弧，离子注入剂量6×10¹⁵ions/cm²，注入电压12kev，注入电流10ma，沉积电量1×10⁸mc，负偏压-120v，从而得到co-cr复合金属涂层，为保证表面涂层的均匀性，样品台转速6r/min，等离子体线束与样品台法线夹角45°。

第三步：搅拌摩擦焊接

将第一步表面预处理的5005铝合金板材与第二步制备的具有co-cr复合金属涂层的az91d镁合金板材进行搭接，铝合金板材和镁合金板材尺寸均为240mm×140mm×3mm，搭接区宽度50mm，利用小型龙门式搅拌摩擦焊机进行焊接，搅拌工具沿板材轧制方向进行单面焊接，搅拌针在搭接区中心线上顺时针转动并向焊接方向前倾3°，轴肩为双圆环结构，搅拌针为三斜面螺纹结构，转速1100rpm，焊速150mm/min，搅拌针压入上层板材深度4.0mm，最终制备5005铝合金/co-cr中间层/az91d镁合金异种接头。

经性能检测，该方法制备的co-cr中间层厚度为6.6μm，含co-cr中间层铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头的自腐蚀电位为-0.82v，自腐蚀电流密度为5.0×10^-8a/cm²；抗拉强度为4.2kn；与不含中间层接头相比，co-cr中间层使接头自腐蚀电位提高了710mv，自腐蚀电流密度降低了2384倍，抗拉强度提高了91％。

经本发明所述方法制备的含co-cr中间层铝/镁异种合金搅拌摩擦焊接头可用于多材料车身的制造，co-cr中间层一方面可以作为物理阻挡层减缓al与mg之间的剧烈反应，另一方面通过co和cr元素的协同作用可以改善接头的微观组织，有效抑制了al-mg金属间化合物的形成，大幅度提高了接头的抗腐蚀性能；搅拌摩擦焊有利于铝合金、co-cr中间层和镁合金之间的机械结合，提高了接头的力学性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

本发明未尽事宜为公知技术。