鎂合金表面激光熔覆Al／TiB2復合強化層及其性能

王繼娜，徐開東

（河南城建學院土木與材料工程系，平頂山 467036）

0 引 言

鎂合金作為目前已使用密度最小的金屬結構材料，是實現裝備輕量化的一條重要途徑，但它的耐蝕和耐磨等性能較差，限制了其進一步發展［1－2］。研究表明，金屬材料的失效（如腐蝕、磨損和斷裂等）多始于表面，因此從理論上講可以通過對其表面組織結構和性能的優化有效提高其耐蝕、耐磨等性能［3］。鎂合金常用的表面強化工藝主要有熱噴涂、電鍍和微弧氧化等。激光技術憑借清潔、節能及易控等特點，使激光熔覆等激光強化工藝在材料表面處理方面得到了越來越廣泛的應用。

目前，鎂合金激光表面強化研究中涉及較多的是以鋁粉為合金化元素，通過細化表層晶粒和生成Mg2Al3、Mg17Al12等鋁鎂金屬間化合物來改善鎂合金的耐蝕和耐磨性能［4－5］。此外，Majumdar等采用鎳粉、Al－SiC和 Al－Al2O3等復合粉體為強化原料對鎂合金進行了激光表面強化處理，使其耐蝕性和耐磨性得到了一定程度的改善，但仍存在組織不均勻、基體氣化嚴重以及相容性差等缺點［6－12］。TiB2具有密度小、熔點高、耐磨性和熱穩定好等特點，在鋼、鋁合金和鈦合金等基材的表面改性方面已得到了廣泛應用［13－14］。但從目前的報道來看，關于TiB2金屬陶瓷材料在鎂合金表面改性方面的研究較少。為提高鎂合金材料的耐蝕性能和耐磨性能，作者以Al－TiB2復合粉體為強化材料，采用激光熔覆工藝對鎂合金進行了表面強化處理，研究了鎂釓系鎂合金的激光熔覆行為，重點考察了TiB2含量對強化效果的影響、TiB2與基體的相容性及強化層的耐磨性。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗基體材料為擠壓態 Mg－15Gd－3Y稀土變形鎂合金，其化學成分（質量分數）為15.26Gd，2.11Y，余 Mg。以 Al－TiB2復合粉體作為強化材料，其中TiB2的質量分數分別為0，30%，50%，70%和100%，在氮氣保護氣氛中將復合粉體球磨30min混合均勻，而后利用質量分數為5%的聚乙烯醇溶液與合金化粉體混勻后涂覆在經砂紙研磨處理后的鎂合金表面，風干后的涂層厚度控制在0.6mm左右。

采用LCY－400型Nd：YAG脈沖激光器對鎂合金表面進行熔覆強化處理，優化工藝參數：脈寬0.8ms、頻率45Hz、光斑直徑1.0mm、電流220A、掃描速度350mm·min－1。為防止鎂合金基體及復合粉體在激光熔覆過程中發生氧化，采用了雙層微柵穩氣流型氣氛保護裝置。

1.2 試驗方法

采用FEI Quanta 450型掃描電鏡（SEM）觀察和分析強化層的微觀組織；采用JEM－2100型高分辨透射電鏡（TEM）分析強化層的微觀精細結構和相容性，試樣取自與表面平行且距表面20μm層深處，用細砂紙研磨試樣至50μm后用離子減薄；利用X′pert pro MPD型X射線衍射儀（XRD）測強化層的物相；采用Micromet－3型顯微硬度儀測定激光強化層沿厚度方向的硬度分布，所加載荷為0.5N，保壓時間15s；摩擦磨損性能測試采用MMS－1G型銷盤式摩擦磨損試驗機，摩擦盤材料為GCr15鋼（經850°C油浴淬火、180°C低溫回火處理，硬度為62HRC），對磨面均用600＃砂紙拋光，丙酮清洗，摩擦速率為4m·s－1，載荷為40N，試驗時間為200s，室溫下進行測試。

2 試驗結果與討論

2.1 表面強化層的微觀組織

由圖1可知，表面強化后可分為合金化層、過渡層和基體三部分，且隨著TiB2含量的增加，合金化層組織的均勻性呈下降的趨勢。當TiB2質量分數小于70%時，合金化層的組織較為均勻，引入的增強相呈彌散分布；當TiB2質量分數大于70%時，由于熔池中沒有足夠的熔鋁作為粘結劑，導致合金化組織不均勻；當TiB2質量分數為100%時，在其自身重力和熔池對流綜合作用下出現了TiB2“嵌入”基體的現象，整體分布均勻性較差。從合金化層的厚度來看，隨著TiB2含量的增加，尤其是質量分數超過70%時，合金化層的深度較淺，這可能是由于鋁和TiB2對激光吸收利用率差異引起的。此外，熔池內熔融金屬液的黏性也是影響合金化層組織和成分均勻性的重要因素，在激光掃描的瞬間，預鋪在鎂合金表面的合金粉體首先受熱熔化，隨后才是基體材料的熔化，因此，一定量鋁的存在能夠增加熔池的對流效應，有利于合金化層微觀組織的均勻性和增強相的彌散分布。

2.2 合金化層的XRD譜

由圖2可見，鎂合金基體的物相主要是鎂；純鋁合金化層的主要產物相為鋁、Al2Gd和Al2Y等；純TiB2合金化層的主要物相為鎂和TiB2；其余合金化層中的物相除了鋁、Al2Gd和Al2Y外，主要是TiB2。

鎂合金基體中的原始物相（如MgGd3、GdMg5和Mg24Y5等）的熔點較低，由于其在熔覆過程中發生了分解，致使其特征衍射峰并不明顯；而分解出來的釓和釔與合金化元素鋁原位反應合成了高溫硬質相Al2Gd和Al2Y。隨著復合粉體中鋁質量分數的增加，高溫硬質相Al2Gd和Al2Y的特征衍射峰強度呈逐漸增強的趨勢，這表明合金化層中新相Al2Gd和Al2Y的相對含量隨著鋁元素在合金化層成分中比例的增加而增加，且殘留的鋁主要以固溶的形式存在于合金化層中，從而形成了富鋁的合金化層。

由于鎂鋁間化合物Mg2Al3和Al12Mg17等物相的熔點較低，在激光熔覆時，激熱激冷的特點決定了它們在熔池凝固過程中難以形成，故衍射峰強度很低。由鎂鋁、鋁釓、鋁釔二元合金相圖可知，在鎂合金表面激光熔覆過程中，釓、釔幾乎全部形成了鋁化物高溫硬質相，這表明激光熔覆是一種非平衡的處理過程。進一步分析不同合金化層的XRD譜發現，除了TiB2的特征衍射峰外，沒有發現其它鈦和硼的化合物，這表明在激光熔覆過程中TiB2并未發生分解，只是在熔池的激冷凝固過程中固溶于合金化層中，從而作為第二相對合金化層起到了強化作用。

2.3 增強相的相容性

受到分辨率的制約，SEM只能觀察到組織中各種物相大致的分布情況，不能對更為深入的精細組織和結構形貌進行分析。為了研究在激光熔覆時原位合成的高溫硬質相和引入的TiB2增強相與基體的相容性，選擇Al－50TiB2合金化層進行了TEM研究。

由圖3（a）可知，原位合成的新相如 Al2Gd、Al2Y等在合金化層中的分布比較均勻，絕大多數呈近球形，這種形貌保證了其在受力時不會對組織產生割裂作用；形成的化合物尺寸大部分小于100nm；進一步觀察發現，粒徑稍大的析出相并不是單個的析出相，而是多個粒子的團聚體。故SEM形貌上微米級析出相實際上是納米級原位合成相的團聚體，這是因為激光熔覆過程中熔池內對流不充分造成的。引入的TiB2增強相整體分布均勻，粒徑相對較大，為200nm左右，但局部存在“鏈條式”的團聚現象，如圖3（b）所示，且形貌以四邊形為主，這可能是因為引入的TiB2增強相的原始粒徑較大，瞬間不能完全熔化，或熔化的熔液在激冷凝固過程中難以分散造成的。總體來看，原位合成的新相如Al2Gd、Al2Y及引入的TiB2增強相與基體的相容性良好，且基本上沒有尖角形或針狀組織，這對于利用新型金屬陶瓷來改善合金化層性能，尤其是含有脆性硬質相強化層的耐磨性能具有重要意義。

2.4 強化層的硬度及耐磨性能

由圖4可知，與鎂合金基體相比，強化層的表面顯微硬度提高了4～6倍；隨著復合粉體中TiB2含量的增加，強化層的硬度呈逐漸增加的趨勢，厚度一般在220μm左右，而純TiB2合金化層的厚度最小，僅為120μm左右，其過渡層相對較大。強化層顯微硬度的提高主要有兩方面的原因：一是激熱激冷導致的晶粒顯著細化；二是合金化層中原位合成的金屬間化合物及增強相TiB2的引入。此外，其表面的“類釉質”陶瓷化也是硬度升高的重要因素。

由表1可知，當引入的強化相TiB2質量分數為70%時，摩擦因數達到了最大，但仍小于未經合金化處理鎂合金的，純TiB2強化層的摩擦因數最小；隨著TiB2含量的增加，磨損質量損失先增大后減小，70%時最大，純TiB2強化層的磨損質量損失最小。由前文分析可知，強化層中原位形成了粒徑細小、硬度較高且分布均勻的金屬間化合物，對提高強化層的整體硬度貢獻較大，而引入的具有較高熔點的強化相TiB2在激光熔覆化過程中率先析出，在熔池的對流作用下“鑲嵌”于基體中，這些強化相在摩擦磨損過程中受剪切應力的作用而脫落，加速磨損，從而對磨損性能起到負面作用，其磨損機制也由粘著磨損轉變為以磨粒磨損為主。與未經強化處理的鎂合金相比，激光表面強化層的摩擦因數和磨損質量損失都表現出了一定程度的減小，尤其是純TiB2強化層，在高能激光束的作用下，呈現出陶瓷化，基本沒出現明顯的磨損現象，因此適宜的TiB2含量（如30%）有利于改善鎂合金材料的摩擦磨損性能。

表1 TiB2質量分數對強化層摩擦磨損性能的影響Tab.1 Effect of mass fraction of TiB2on friction and wear properties of strengthened layer

3 結 論

（1）當TiB2質量分數小于70%時，激光熔覆強化層的組織細小均勻，大于70%時，強化層中出現了塊狀的TiB2強化相；原位合成的高溫硬質相Al2Gd、Al2Y等金屬間化合物尺寸在100nm左右，分布均勻，而引入的強化相TiB2呈彌散分布，粒徑為200nm左右，局部出現了“鏈條式”團聚現象。

（2）復合粉體中的鋁元素與基體中的釓、釔等元素產生了原位反應，生成了高溫硬質相Al2Gd和Al2Y等金屬間化合物，且熔覆過程中引入的強化相TiB2未發生分解，與新形成的高溫相及基體相容性良好，但分布特點和結構差異顯著。

（3）與鎂合金基體相比，強化層的顯微硬度提高了4～6倍，且隨著TiB2含量的增多，合金化層的硬度呈增加的趨勢；適量的TiB2增強相有利于改善鎂合金材料的摩擦磨損性能。

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