李海峰 ,仲 原 ,劉建武 ,汪義偉 ,方冰冰 ,王 群

(1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所,株洲 412002;2.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長沙 410082)

0 引言

鎂合金具有高的比強(qiáng)度以及良好的減振性、導(dǎo)熱性和電磁屏蔽能力,在汽車、軌道交通、航空航天和武器裝備等方面都有巨大應(yīng)用前景[1-2]。然而鎂合金硬度較低,在潮濕、含氯離子和酸性介質(zhì)等環(huán)境下的耐腐蝕性能差,制成的零件在海洋環(huán)境中服役時常發(fā)生表面腐蝕[3-4]。目前,化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、陽極氧化、電鍍、化學(xué)鍍和有機(jī)物涂覆等用于鎂合金的表面修復(fù)技術(shù)仍存在一些不足,如難以對發(fā)生損傷的鎂合金進(jìn)行尺寸和形狀修復(fù),有害排放物處理難以達(dá)標(biāo),涂層難以完全隔離腐蝕介質(zhì)等[5-7]。另外,傳統(tǒng)用于修復(fù)的堆焊工藝熱輸入大,由于鎂合金的活性高、膨脹系數(shù)大,所以對損傷鎂合金的修復(fù)效果欠佳[4]。因此,開發(fā)一種新型的鎂合金修復(fù)技術(shù),為鎂合金零部件的維修和保養(yǎng)提供參考。

冷噴涂是一種固態(tài)粒子在較低溫度下高速撞擊基體,通過劇烈的塑性變形與基體結(jié)合,形成大厚度涂層[8]的材料沉積技術(shù)。純鋁在潮濕大氣和pH 為4～8的環(huán)境中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,與鎂合金間的電偶腐蝕驅(qū)動力較小,因此可通過冷噴涂純鋁涂層對鎂合金進(jìn)行腐蝕防護(hù),但冷噴涂純鋁涂層強(qiáng)度低,不適合零件的損傷修復(fù)。冷噴涂鋁鎂合金(5系鋁合金,如5056,5083和5024)[9]和鋁鎂硅合金(6系鋁合金,如6061和6063)涂層[8]既具有好的耐腐蝕性能,也具有較高的強(qiáng)度,其較低密度、較高導(dǎo)電和導(dǎo)熱的特性也不會造成鎂合金特性的顯著改變。因此,這2種鋁合金成為對損傷鎂合金零件進(jìn)行冷噴涂修復(fù)的理想材料[8-9]。其中,6系鋁合金中的6061鋁合金添加了合金元素鎂和硅[8],具有密度小、可成形性良好、抗氧化性能優(yōu)異、韌性良好等特點(diǎn),廣泛用于冷噴涂防護(hù)[10-11]和損傷修復(fù)[12],還可以用作連接鋁和鎂合金的中間層[13]。

冷噴涂鋁合金涂層的性能與驅(qū)動氣體溫度密切相關(guān)。在相同的氣體壓力和氣體種類下,提高驅(qū)動氣體溫度,一方面可以充分預(yù)熱氣流中的粉末,另一方面還能使氣體受熱產(chǎn)生體積膨脹,提高粒子速度,從而影響涂層的致密性和性能[14-15]。但是目前,有關(guān)驅(qū)動氣體溫度對冷噴涂6061鋁合金涂層組織和性能影響方面的研究報道較少。因此,作者選用軍用直升飛機(jī)發(fā)動機(jī)和變速箱殼體等零件上廣泛使用的ZM6鎂合金為基體材料,探究驅(qū)動氣體溫度對高壓冷噴涂6061鋁合金涂層組織和性能的影響,為優(yōu)化用于修復(fù)鎂合金零件的冷噴涂工藝提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料為粒徑5～50 μm 的6061鋁合金粉末(市售),形貌為近球形,如圖1所示,化學(xué)成分見表1。

表1 6061鋁合金粉末的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy powder

圖1 6061鋁合金粉末的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of 6061 aluminum alloy powder

冷噴涂的基體為6 mm 厚的ZM6鎂合金板。冷噴涂之前對基體表面進(jìn)行除油脫脂、噴砂、乙醇清洗等預(yù)處理。采用PCS-800型高壓冷噴涂設(shè)備進(jìn)行冷噴涂試驗(yàn),噴涂所用加速氣體為氮?dú)?驅(qū)動氣體溫度分別為350,400,450,500 ℃(當(dāng)溫度達(dá)到550 ℃,鋁合金粉末容易黏附在噴管內(nèi)壁,造成堵槍,因此,選用的最高驅(qū)動氣體溫度為500 ℃),氣體壓力為5 MPa,噴涂距離為30 mm,送粉速率為80 g·min-1,噴涂角度為90°,噴涂過程中噴槍在xOy平面上沿x方向噴涂,噴槍移動速度為50 mm·s-1。

1.2 試驗(yàn)方法

由于噴涂過程中機(jī)械手移動到左右極限位置時要折返,減速和加速會造成噴槍移動到試樣兩邊時的實(shí)際移動速度低于其設(shè)置值,試樣的左右兩側(cè)涂層一般會厚一些,因此用試樣中部涂層厚度來反映粉末的沉積率。在試樣中部選取多個區(qū)域,用各涂層總厚度與噴涂道次的比來計算各涂層的單道次厚度。

將涂層試樣切割成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm 的小試樣后進(jìn)行冷鑲嵌,依次采用320#,600#,1000#,2000#和3000#砂紙進(jìn)行打磨,然后再依次用粒徑為2.5 μm 和0.5 μm 的金剛石噴霧拋光劑以及粒徑為40 nm 的SiO2懸浮液拋光,磨拋面為涂層截面。采用HXD-1000TM 型顯微硬度計進(jìn)行顯微硬度測試,載荷為0.98 N,保載時間為15 s,測10 次取平均值。采用GX 51 型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察拋光態(tài)涂層的截面形貌。采用MIRA3 LMH 型掃描電鏡(SEM)觀察腐蝕后的涂層截面顯微組織。選取涂層截面中心區(qū)域由左側(cè)至右側(cè)連續(xù)拍攝的15 張OM 照片,使用圖像處理軟件IQ materials,用二值分割計算法得出孔隙率。

在CHI600C型電化學(xué)工作站上進(jìn)行電化學(xué)性能測試,采用三電極體系,試樣為工作電極,鉑片為輔助電極,飽和甘汞電極為參比電極,常溫下在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl溶液中進(jìn)行測試。試樣用樹脂鑲嵌,工作面用砂紙逐級打磨后拋光,僅允許涂層暴露于測試溶液中,暴露面積為1 cm2,浸泡時間為1 h,待體系穩(wěn)定后進(jìn)行極化曲線測定,從開路電位-500 mV向陽極方向掃描,掃描速率為1 mV·s-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 對粉末沉積率的影響

由圖2可見:隨著驅(qū)動氣體溫度升高,單道次涂層厚度顯著提高,特別是當(dāng)驅(qū)動氣體溫度在400～500 ℃時,厚度的提高趨勢幾乎是線性的,說明驅(qū)動氣體溫度的上升會顯著提高粉末沉積率。這是因?yàn)?驅(qū)動氣體溫度升高使得送入氣流中的粉末升溫加快,從而發(fā)生明顯的軟化,因此更易于沉積;另外,驅(qū)動氣體溫度升高會導(dǎo)致氣體內(nèi)能升高,體積膨脹,進(jìn)一步增大噴槍內(nèi)的氣體壓力,使得顆粒在出口處獲得更大的運(yùn)動速度[14]而更多沉積在基體上。

圖2 單道次冷噴涂6061鋁合金涂層厚度隨驅(qū)動氣體溫度的變化曲線Fig.2 Variation curve of thickness of single-pass cold spraying 6061 aluminum alloy coating vs driving gas temperature

2.2 對涂層微觀結(jié)構(gòu)和硬度的影響

由圖3可見:不同驅(qū)動氣體溫度下冷噴涂的6061鋁合金涂層均存在孔隙,孔隙數(shù)量隨溫度升高而減少,致密性提升。計算得到在驅(qū)動氣體溫度為350,400,450,500 ℃時,涂層的孔隙率分別為(2.10±0.72)%,(1.17±0.74)%,(0.30±0.21)%,(0.23±0.11)%。

圖3 不同驅(qū)動氣體溫度冷噴涂6061鋁合金涂層截面拋光態(tài)形貌Fig.3 Polished morphology of 6061 aluminum alloy coating section by cold spraying at different driving gas temperatures

由圖4可見,在沉積顆粒的邊界附近存在一定數(shù)量的孔隙,這主要是由少數(shù)6061鋁合金粒子在沉積過程中塑性變形不充分或其產(chǎn)生的遮蔽效應(yīng)造成的[8,16-17]。不同粉末粒子的變形程度也不一樣,圖4(b)實(shí)線框內(nèi)所示粒子發(fā)生的變形較大,虛線框內(nèi)所示粒子發(fā)生的變形較小。這主要是因?yàn)楦鞣勰┝Ｗ影l(fā)生沉積時的速度不同:高速沉積的粒子會發(fā)生巨大的塑性變形,整個粒子內(nèi)的晶粒都出現(xiàn)嚴(yán)重的扁平化;而沉積時速度相對較低的粒子由于沖擊力有限,只有底部發(fā)生較大的變形,晶粒出現(xiàn)扁平化(如虛線所示粒子的下部箭頭所指部分),而中上部則變形程度有限,基本保持原始的近等軸晶晶粒狀態(tài),且晶粒尺寸較為細(xì)小。這種顯微組織形貌與文獻(xiàn)[17]報道的結(jié)果類似。

圖4 400 ℃驅(qū)動氣體溫度冷噴涂6061鋁合金涂層截面腐蝕后的顯微組織Fig.4 Microstructure after etching of 6061 aluminum alloy coating section by cold spraying at 400 ℃ driving gas temperature：（a）at low magnification and（b）at high magnification

ZM6鎂合金基體的硬度為(69±2.8)HV,在驅(qū)動氣體溫度為350,400,450,500 ℃下冷噴涂涂層的硬度分別為(92.2±7.4),(90.3±9.2),(90.5±15.2),(89.8±11.6)HV。當(dāng)驅(qū)動氣體溫度較低時,粉末粒子受熱不充分,塑性一般,導(dǎo)致所沉積的涂層孔隙率高;但這些粒子沉積到基體或前期已沉積的涂層后,很多粒子會發(fā)生反彈,在沉積過程中會對已沉積涂層造成很大的夯實(shí)作用,使涂層發(fā)生比較嚴(yán)重的加工硬化,所以在較低溫度下沉積的6061鋁合金涂層硬度偏高。當(dāng)驅(qū)動氣體溫度較高時,6061鋁合金粒子在氣流中受熱充分,具有良好的塑性變形能力,粉末在沉積時反彈少,粉末沉積率和涂層致密性均得到提高[16]。但由于缺乏足夠的夯實(shí)作用,6061鋁合金涂層的硬度有所降低。同時,涂層致密性提高有利于提高硬度,因此在高溫下沉積的涂層硬度降低并不明顯。

2.3 對涂層電化學(xué)性能的影響

由圖5和表2可見:不同驅(qū)動氣體溫度冷噴涂6061鋁合金涂層的自腐蝕電位Ecorr相對于ZM6鎂合金基體均正移,自腐蝕電流密度icorr降低約2個數(shù)量級以上;隨著驅(qū)動氣體溫度升高,涂層孔隙率降低,腐蝕溶液從孔隙中滲入到涂層內(nèi)部的概率下降,涂層的自腐蝕電位升高,自腐蝕電流密度降低。當(dāng)驅(qū)動氣體溫度為500 ℃時,冷噴涂6061鋁合金涂層具有最好的耐腐蝕性能,且涂層的硬度下降不明顯,仍高于ZM6鎂合金基體的硬度,具有最佳的綜合性能。與常用于超硬鋁合金修復(fù)的7075鋁合金涂層相比,試驗(yàn)制備的6061鋁合金涂層雖然硬度相對較低[17],但耐腐蝕性能更好,更適合于對耐腐蝕性能要求高的ZM6鎂合金的表面防護(hù)和損傷修復(fù)。

表2 ZM6鎂合金和不同驅(qū)動氣體溫度冷噴涂6061鋁合金涂層的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度Table 2 Free-corrosion potential and free-corrosion current density of ZM6 magnesium alloy and cold sprayed 6061 aluminum alloy coating at different driving gas temperatures

圖5 ZM6鎂合金和不同驅(qū)動氣體溫度冷噴涂6061鋁合金涂層的極化曲線Fig.5 Polarization curves of ZM6 magnesium alloy and cold sprayed 6061 aluminum alloy coating at different driving gas temperatures

3 結(jié)論

(1) 隨著冷噴涂驅(qū)動氣體溫度的升高,6061鋁合金粉末的沉積率和相應(yīng)涂層的耐腐蝕性能以及顯微組織的致密性均得到提高,但涂層的硬度略微降低。

(2) 最佳的驅(qū)動氣體溫度為500 ℃,獲得的涂層孔隙率為0.23%,硬度為89.8 HV,其自腐蝕電流密度比ZM6鎂合金下降2個數(shù)量級以上,適合于ZM6鎂合金的表面防護(hù)和損傷修復(fù)。