鎂合金表面冷噴涂420不銹鋼/WC-17Co涂層及其耐磨耐蝕性能

陳 杰, 宋 惠, 戴 宇, 馬 冰, 鄭子云, 賈 利

（中國兵器科學研究院寧波分院 焊接與表面再制造技術(shù)研究室，浙江 寧波 315103）

鎂合金是一種輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強度高、彈性模量小、剛性好、電磁屏蔽性好等優(yōu)點，在航空航天、兵器裝備等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但鎂合金的硬度較低，耐磨性、耐腐蝕性及耐高溫性較差。因此，積極探索鎂合金表面處理工藝，有效提高鎂合金的耐磨、耐腐蝕等綜合性能，對于推動鎂合金在軍、民高端裝備輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要的意義[1-3]。冷噴涂技術(shù)作為一種近年來迅猛發(fā)展的新型噴涂工藝，通過Laval噴管加速氣體和固相顆粒，使粒子獲得較高的速度撞擊基體表面，進而發(fā)生劇烈塑性變形而形成涂層。與傳統(tǒng)熱噴涂工藝相比，該技術(shù)最大的特點是避免了高溫熱源對粒子和基體的影響，同時，制備的涂層還具有內(nèi)應(yīng)力小、孔隙率低、硬度高和大厚度等優(yōu)點。因此，冷噴涂工藝已成為在鎂合金表面制備耐磨、防腐涂層最有效的方法之一[4-5]。

不銹鋼具有良好的耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點，是涂層領(lǐng)域重要的表面強化材料之一。國內(nèi)外學者對冷噴涂不銹鋼涂層的制備工藝和性能做了廣泛的研究[6-8]。中科院金屬所熊天英[9]系統(tǒng)研究了316L不銹鋼單顆粒沉積行為與基體材料力學性能的關(guān)系。Barcelona大學Guilemany[10]通過冷噴涂技術(shù)在7075-T6鋁合金表面制備了316L不銹鋼涂層。相比于316L等奧氏體不銹鋼，馬氏體不銹鋼憑借其較高的強度、表面硬度、耐磨性及耐蝕，性，廣泛應(yīng)用于航天航空和機械制造等領(lǐng)域。因此，針對軍、民高端裝備中服役的鎂合金材料對高性能耐磨和防腐涂層的需求，本工作通過選擇合適的420噴涂粉末和工藝參數(shù)，通過冷噴涂技術(shù)在鎂合金表面成功制備了420不銹鋼涂層，同時，進一步考察了WC-17Co的加入對420不銹鋼涂層的耐磨性和耐蝕性的影響，最終在鎂合金表面獲得具有優(yōu)異耐磨和耐蝕性能的冷噴涂防護涂層。

1 實驗材料與方法

實驗所用材料為AZ80鎂合金，噴涂粉末采用Sandvik Osprey公司的420馬氏體不銹鋼粉末，WC-17Co粉末由章源鎢業(yè)有限公司提供，混合噴涂粉末中420不銹鋼和WC-17Co的質(zhì)量分數(shù)為65%和35%。冷噴涂采用Kinetic 4000冷噴涂系統(tǒng)，以氮氣為工作氣體，所采用的冷噴涂工藝參數(shù)為：氣體溫度800 ℃、噴涂壓力3.5 MPa、噴涂距離20 mm、粉末進給率 2.0 r/min。

采用 FEI Quanta 250 FEG 場發(fā)射掃描電鏡對噴涂粉末和涂層的形貌結(jié)構(gòu)進行表征。采用Philips X’Pert X 射線衍射儀分析涂層相組成。采用401MVSD型顯微硬度計對涂層進行顯微硬度測試，加載為 4.9 N，加載時間為 15 s，每個試樣測量10個點。采用黏結(jié)拉伸法依照ASTM C633-01標準，測定兩種涂層的結(jié)合強度。采用Rtec多功能摩擦磨損試驗機考察鎂合金基材和涂層的摩擦學性能，摩擦方式為往復式球盤接觸，測試條件為：室溫、對偶球為6 mm的SiC球、載荷30 N、往復頻率2 Hz、實驗時間20 min。電化學實驗在Zahner IM6電化學工作站上進行，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片，試樣測試面積為 10 mm × 10 mm，腐蝕介質(zhì)為3.5%的NaCl溶液，極化曲線的掃描速率為 0.5 mV/s。

2 結(jié)果與分析

圖1為420不銹鋼和WC-17Co喂料粉末的SEM形貌。420不銹鋼粉末由氣霧化方法制備，呈球形形貌，粉末的粒徑分布為10～50 μm，WC-17Co粉末由WC顆粒和黏結(jié)相Co團聚燒結(jié)而形成，粉末的粒度為10～30 μm，兩種粉末都符合冷噴涂工藝對粉末粒度和形貌的要求。

圖1 噴涂粉末的 SEM 形貌 （a）420 不銹鋼；（b）WC-17CoFig.1 SEM morphology of feedstock powder （a）420 stainless steel;（b）WC-17Co

圖2給出了冷噴涂420不銹鋼涂層和420/WC-17Co涂層的截面SEM形貌。從圖2（a）可以看出，420不銹鋼涂層的截面呈現(xiàn)極其致密的結(jié)構(gòu)，截面照片中沒有任何明顯的孔隙及裂紋，且與鎂合金基材界面結(jié)合處非常致密，噴涂粉末顆粒發(fā)生明顯的變形緊密結(jié)合在一起，且涂層的厚度達到1 mm，這種高質(zhì)量的顯微結(jié)構(gòu)主要歸因于冷噴涂過程中極高的顆粒沖擊速度。圖2（b）為冷噴涂420/WC-17Co涂層的截面照片，其中白色區(qū)域為WC-17Co，黑色區(qū)域為420不銹鋼，WC-17Co在涂層中分布均勻，且與420不銹鋼之間的結(jié)合良好。

圖3給出了冷噴涂420不銹鋼涂層和420/WC-17Co涂層的XRD譜圖。在420不銹鋼涂層的XRD譜圖中可以看到明顯的馬氏體衍射峰，在420/WC-17Co涂層的譜圖中同時出現(xiàn)了明顯的WC衍射峰。兩種涂層的譜圖中都沒有發(fā)現(xiàn)其他物相的衍射峰，表明噴涂喂料粉末在冷噴涂過程中沒有發(fā)生明顯的相變和分解。

圖2 冷噴涂截面的 SEM 形貌 （a）420 不銹鋼涂層;（b）420/WC-17Co 涂層Fig.2 Cross sectional SEM morphologies （a）420 stainless steel coating; （b）420/WC-17Co coating

圖3 420 不銹鋼涂層和 420/WC-17Co 涂層的 XRD 譜圖Fig.3 XRD patterns of 420 stainless steel coating and 420/WC-17Co coating

圖4 磨損表面的 SEM 形貌 （a）鎂合金基材; （b）420 涂層; （c）420/WC-17Co 涂層Fig.4 SEM images of worn surface （a）magnesium alloy; （b）420 coating; （c）420/WC-17Co coating

表1給出了冷噴涂420不銹鋼涂層和420/WC-17Co涂層的顯微硬度，結(jié)合強度和沉積效率數(shù)據(jù)。可以看到，WC-17Co的加入可以顯著提高420不銹鋼涂層的顯微硬度，420不銹鋼涂層的顯微硬度為（450 ± 44 ）HV，而 420/WC-17Co 涂層的顯微硬度則提高到（615 ± 62）HV。另外，通過拉伸法可以測得冷噴420/WC-17Co涂層的結(jié)合度為（57 ±11 ）MPa，高于 420 不銹鋼涂層的（44 ± 8） MPa。然而，420/WC-17Co涂層的沉積效率較420涂層有明顯的降低，這是由于WC-17Co粉末在噴涂過程中的沉積效率明顯低于420不銹鋼粉末。

表2給出了冷噴涂420不銹鋼涂層、420/WC-17Co涂層和鎂合金基材的摩擦系數(shù)和磨損率數(shù)據(jù)。可以發(fā)現(xiàn)，420不銹鋼涂層的摩擦系數(shù)為0.44，420/WC-17Co涂層的摩擦系數(shù)為0.38。鎂合金的摩擦系數(shù)低于兩種涂層，其平均摩擦系數(shù)為0.27，這是由于鎂合金硬度較小，在摩擦過程中容易發(fā)生變形，易于剪切，因而摩擦系數(shù)較低。從磨損率數(shù)據(jù)可以看到，冷噴涂涂層的磨損率較鎂合金基材都有明顯的降低，鎂合金的磨損率為 4.6 × 10–4mm3·N·m，420 不銹鋼涂層的磨損率降低到 1.2 × 10–5mm3·N·m，隨著WC-17Co的加入，磨損率進一步降低到3.3 ×10–6mm3·N·m，證明了冷噴涂 420/WC-17Co 涂層是一種非常理想的鎂合金表面耐磨強化涂層。

表1 冷噴涂 420 不銹鋼涂層和 420/WC-17Co 涂層性能對比Table1 Property comparasion between cold sprayed 420 stainless steel coating and 420/WC-17Co coating

表2 涂層和鎂合金基材的摩擦因數(shù)和磨損率數(shù)據(jù)Table2 Friction coefficient and wear rate of as-sprayed coatings and magnesium alloy

圖4為鎂合金基材、冷噴涂420不銹鋼涂層、420/WC-17Co涂層經(jīng)摩擦磨損實驗后磨損表面的SEM形貌。從圖4（a）可以看到，鎂合金的磨損表面出現(xiàn)明顯的塑性變形和犁溝，這是由于鎂合金硬度較低，在對偶材料的摩擦作用下，容易產(chǎn)生犁削式磨損和塑形變形。圖4（b）中420不銹鋼涂層的磨損表面存在明顯的犁溝和剝落坑，涂層的磨損機制主要為黏著磨損和磨粒磨損。圖4（c）中420/WC-17Co涂層的磨損程度明顯減輕，這是由于WC-17Co的加入顯著提高了涂層的承載能力。磨痕表面呈現(xiàn)部分犁溝和輕微的局部剝落，可以推斷涂層的磨損機制為脆性剝落，同時伴隨著部分磨粒磨損。這是由于在法向載荷和摩擦剪切應(yīng)力作用下，420不銹鋼和WC-17Co的界面處容易萌生疲勞裂紋，造成涂層的剝落；所產(chǎn)生的磨屑在磨痕中堆積，在對偶球的作用下對涂層繼續(xù)產(chǎn)生一定程度的磨粒磨損。

圖5 鎂合金、420 涂層和 420/WC-17Co 涂層的極化曲線Fig.5 Polarization curves of magnesium alloy, 420 coating and 420/WC-17Co coating

圖5是鎂合金、420不銹鋼涂層和420/WC-17Co涂層在3.5% NaCl溶液中的極化曲線。對極化曲線進行Tafel擬合，鎂合金基體的自腐蝕電位為–1.36 V，自腐蝕電流密度為 8.2 × 10–5A·cm2，420涂層的腐蝕電位（–0.37 V）明顯高于鎂合金基體，且涂層的自腐蝕電流密度（5.3 × 10–7A·cm2）較鎂合金基體降低了2個數(shù)量級。隨著WC-17Co的加入，420/WC-17Co涂層的腐蝕電位降低到–0.48 V，腐蝕電流密度增加到 2.4 × 10–6A·cm2，涂層的耐蝕性能較420涂層略有下降，但仍顯著優(yōu)于鎂合金基體，可見冷噴涂沉積致密420/WC-17Co涂層能有效降低鎂合金表面活性，隔離基體與腐蝕介質(zhì)的接觸，使鎂合金表面耐蝕性能顯著增加。

3 結(jié)論

（1）采用冷噴涂工藝在AZ80鎂合金基材表面制備了高質(zhì)量420/WC-17Co涂層。

（2）420/WC-17Co涂層可以顯著提高鎂合金基材的耐磨和耐腐蝕性能，其磨損率較鎂合金基體降低了2個數(shù)量級，自腐蝕電流降低了1個數(shù)量級。