镁表面激光熔覆

1、镁表面激光熔覆Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金T.M. Yue1 ， Y.P. Su1, H.O. Yang2 1.香港理工大学工业及系统工程学系先进制造技术研究中心， 香港，红磡 2.西北工业大学凝固技术国家重点实验室， 中国，西安 收稿日期：2005年12月14日；接受日期：2006年4月6日；在线提供日期：2006年5月 摘要 以Zr65Al7.5Ni10Cu17.5为涂层原料，用送粉法在镁基体表面激光熔覆非晶合金涂层。涂层厚度大约1.5mm。借助XRD（X射线衍射仪）和TEM（透射电子显微镜）,由此产生的微观结构,对涂层的耐磨性和耐蚀性进行了系统的研究，分析的结果表明,当

2、深度为1.1毫米,涂层有非晶结构,没有发现明显的晶体结构。涂层试样的耐磨性和耐蚀性优于展出的裸标本，磨损损失显著降低,有的达到13倍，并且腐蚀电流降低三个数量级。关键词: 激光加工;非晶态合金;磨损;腐蚀1.前言 镁合金对航空航天、汽车、电子和体育设备领域有很大吸引力，主要是因为镁合金密度低。不幸的是,镁合金的不良性能耐腐蚀性差和耐磨性差,阻碍了这些材料广泛的应用。多年来,人们深入研究，致力于克服这些缺点。近年来，一个表面工程技术,即激光熔覆技术,吸引了大多数人的注意。其主要优势于其他技术的是能够形成一个整体的各种相对厚度的防护涂料。Yue1,2和其他研究人员3,4已经表明,激光熔覆可以改善镁

3、基材料的耐腐蚀性能。 因为最近开发的非晶态材料有很大的玻璃形成能力5,所以现在可以使用激光表面处理技术生产金属非晶涂层6,7。设想,高硬度和良好的耐腐蚀性的金属非晶合金可以显著改善镁合金的表面性质。到目前为止，在文献里只能找到少量研究激光熔覆非晶合金的资料。Audebert 等人7和Wang 等人 8已经成功地分别在铝和钛基体上研究出局部锆基非晶相。其他非晶态合金基于Ni -Cr-Al合金的高临界冷却速率,也被用于在铝合金表面激光熔覆非晶层9,但是只获得数量有限的非晶结构。这些研究表明,通过使用预置粉末法和重熔法,不容易形成完整非晶涂层。本研究建议采用同步激光熔融法在镁基体上生产非晶涂层,目的

4、是改善基体材料的耐磨性和耐腐蚀性。2.实验方法 在目前的研究中,在工业纯镁基体上激光熔覆Zr-Al-Ni-Cu非晶合金是使用同步送粉法10。在纯镁基体创建一个浅熔池(试样尺寸30×30×10毫米,纯度99.9 wt %),同时使用一个横向送粉器把预先拌好的元素粉末传送到熔池，这是为了避免预置粉末法中直接融化粉末的激光发生在预置粉末和粉末床上而发生重熔。目前的同步熔融法能产生高的淬火和冷却率,并且能够阻止晶体的形成阶段,比如预置法中发现的纳米晶。提前混合好金属粉末Zr65Al7.5Ni10Cu17.5（原子组成百分比）。熔覆实验是在激光快速成形系统中进行，系统由5千瓦的连续波

5、CO2激光器和一个带侧喷嘴的送粉机构组成。粉末流量0.1 g / s。当使用这样的一个系统时涂层的厚度和外形很容易控制。激光束聚焦到1毫米。激光扫描速率为5 mm / s，激光功率为3.7千瓦。搭接率为30%。实验在屏蔽盒进行，向盒子不断提供高纯度氩气以提供一种惰性环境。 熔覆标本横截面上的TEM标本用飞利浦透射电子显微镜检查。熔覆层的微观结构和阶段特征使用徕卡扫描电子显微镜检查，该显微镜装备了X射线能谱分析仪(EDS)、和飞利浦XRD系统。通过差示扫描量热计(DSC)以0.17k/s的升温速率检查与玻璃化转变相关的热稳定性和结晶。使用矮松盘式摩擦磨损试验机测定涂层和无涂层的试样的耐磨性。在测

6、试中，使用的是300克的正常负载。圆盘的转速为150转/分，总的测试滑动时间为1小时。使用一个EGG恒电位仪进行电化学阳极极化测试。在电化学试验之前，试件表面用800目金相砂纸摩平，并用去离子水和酒精清洗。采用分析纯试剂制备3.5%的NaCl溶液，在溶液中进行阳极极化测试。溶液的初始pH值为6.2，初始温度为23°C。每个极化扫描开始前，腐蚀试样被允许在电解质中稳定。3.实验结果与分析涂层的横截面检查表明，它具有约1.5毫米的厚度，没有发现裂缝或空隙。此外，在涂层/基体界面中取得了良好的冶金结合（图1)。图1. 在基体/涂层界面产生的良好的冶金结合用EDS分析涂料和涂层/基体界面合金

7、元素成分分布显示,一般来说,在400 m处有一个成分均匀分布的涂层,稀释的合金元素集中在界面(图2)。 图2. 在基体和涂层中的合金元素分布然而，获得了一个尖锐的稀释镁终止边界。在距离顶面涂层约0.7毫米的X射线衍射图如图3所示。获得了2= 38°的宽峰，观察对应的晶相没有发现明显的衍射峰。这表明在这个位置，组织为完全非晶。事实上，井上11等人通过对在水淬熔体中形成Zr65Al7.5Ni10Cu17.5大块非晶合金涂层的研究，也得出了同样的结论。此外，当采用预置熔炼法时，得到的混合的无定形和结晶相的XRD谱图（图3）是不同的。图4显示了同一地区的暗视野区TEM图像和选区电子衍射（SA

8、ED）图。宽化漫散射峰说明本区的相是非晶相。在对涂层厚度的进一步XRD和TEM分析表明，深度约1.1毫米时，组织几乎全为非晶状态。图3. 从距离顶面涂层0.7毫米的X射线衍射图 图4. 在距离顶面约0.7毫米的非晶涂层的TEM和SAED模式。 图5. 非晶合金涂层的DSC曲线 图6.涂层和裸标本动电位阳极极化情况图5显示了非晶合金涂层的DSC曲线，记录了在655 K时的吸热信号和745 K时的放热信号。前者被认为是玻璃化转变温度（Tg），后者对应于结晶（T）的非晶相。结果表明，过冷液相区（Tx）大于90 K，Tg大约为655 k。这些数据与陈等人 12 以前的研究结论一致，陈等人用铜模吸铸法制

9、造Zr-Al-Ni-Cu大块非晶合金，研究得到的大块非晶合金的表面特征。非晶涂层1.1毫米深度的硬度测量值均布在550 HV和600 HV之间，这和从金属间化合物的涂层混合结构得到纳米晶和非晶相是不同的，后者是由预置法得到的。这种混合结构的硬度值是多样性的，取决于涂层中不同位置上存在的不同阶段的数量。对于耐磨性，镁基和激光涂层试样销盘磨损试验后测定平均体积损失发现是分别0.08立方毫米和0.006立方毫米。这些结果清楚地表明，涂层试样有更高的耐磨性能。在体积损失方面，涂层试样的耐磨性比未涂覆的基体高出十三倍。对于腐蚀性能，用动电位阳极极化曲线来比较在熔覆条件下涂层试样与镁合金基体的耐腐蚀性。结

10、果如图6所示，涂层试样的腐蚀电位为-480mv ，比基材的-1120 mV更高。然而，涂层试样的开路腐蚀电流比未处理的试样低三个数量级。此外，得到的涂层试样的腐蚀电流跨越了300 mV的宽度。这些改进明显着高于同样的腐蚀条件下获得的Al12Si 镁复合基质，或不锈钢激光熔覆试验时得到的结果。本研究表明，直接激光熔覆可以在镁基体产生较厚的锆基非晶合金涂层，这大大提高了镁固有的低耐磨耐蚀性。4.结论 （1）直接利用激光熔覆， Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金成功熔覆到镁基上，熔覆涂层厚度达到1.5mn。 （2）深度为1.1毫米时，涂层为非晶结构。 （3）在基板/涂层界面获得了无气孔或

11、裂纹成形良好的冶金结合。 （4）通过熔覆层与非晶涂层显著提高了镁的耐磨性和耐腐蚀性。致谢 本研究工作是由中国，香港特别行政区研究资助局（项目号 理5315 / 04E）给予全力支持。非常感谢和Dr X. Lin富有成效的讨论。特别感谢香港理工大学和西北工业大学提供研究设施。 参考文献1 T.M. Yue, A.H. Wang, H.C. Man, Scr. Mater. 40 (3) (1999) 303.2 T.M. Yue, Q.W. Hu, Z. Mei, H.C. Man, Mater. Lett. 47 (3) (2001) 165.3 R. Subramanian, S. Sirc

12、ar, J. Mazumder, J. Mater. Sci. 26 (1991) 951.4 A.A. Wang, S. Sircar, J. Mazumder, J. Mater. Sci. 28 (1993) 5113.5 A. Inoue, T. Zhang, T. Masumoto, J. Non-Cryst. Solids 156 (1993) 473.6 D. Carvalho, S. Cardoso, R. Vilar, Scr. Mater. 37 (4) (1997) 523.7 F. Audebert, R. Colaco, R. Vilar, H. Sirkin, Scr. Mater. 48 (2003) 281.8 Y.F. Wang, G. Li, C.S. Wang, Y.L. Xia, B. Sandip, C. Dong, Surf. Coat.Technol. 176 (2004) 284.9 G.Y. liang, T.T. Wong, J.Y. Su, C.H. Woo, J. Mater. Sci. Lett. 19 (2000)1193.10 X. Lin, T.M. Yue, H.O. Yang, W.D. Huang, Mat