AI涂層/AZ91鎂合金復合鑄造界面的研究

金通 趙建華 袁福安 涂欣達 張士斌

摘要：對型芯預噴涂一層AI涂層，將Az91鎂合金液澆注到鑄型中實現基體和涂層的結合，對凝固后的結合界面組織和相組成進行分析。結果表明，Az9I鎂合金液和AI涂層表面的氧化物發生反應，實現了界面間的潤濕，形成冶金結合界面。該界面包含3個擴散層：鎂合金基體一側為（AI12Mg17+δMg）共晶組織;中間層為AI12Mg17金屬間化合物;AI涂層一側為AI3Mg2金屬間化合物，并彌散分布著一些氧化物。試驗結果證明，通過復合鑄造的方法可以實現Al涂層和鎂合金基體的冶金結合。

關鍵詞：鎂合金;電弧噴涂;復合鑄造;界面

中圖分類號：TG178文獻標志碼：A

復合鑄造是用澆注的方法將兩種或兩種以上的材料鑄造成一種完整鑄件的加工工藝。通過復合鑄造工藝制備的鑄件的不同部位具有不同的性能。近年來，越來越多的研究者使用復合鑄造工藝連接同種或異種材料，如鋼/Fe，Fe/AI，AI/Cu等。本文嘗試將電弧噴涂技術應用于復合鑄造工藝中，先在型芯表面噴涂一層涂層，再將金屬液澆注到鑄型中，通過固液復合作用制備金屬復合材料。該方法改變了傳統熱噴涂工藝先基體后涂層的觀念，可以在基體表面制備結合性能好、表面精度高的涂層，具有一定的研究價值。

界面是復合材料的重要組成部分，界面的結構往往決定了復合材料的使用性能。傳統的熱噴涂涂層和基體之間為機械結合界面，結合強度不高，限制了其應用。而復合鑄造，特別是熔點相近的雙金屬復合鑄造，其界面結合方式一般為冶金結合，一定程度上可以彌補傳統熱噴涂工藝的不足。本文采用復合鑄造的方法將AI涂層和鎂合金基體結合在一起，并對其結合界面進行研究。

1試驗過程

本試驗采用直徑2mm的純AI絲作為噴涂材料，采用AZ91鎂合金作為基材。分別采用先基體后涂層的傳統電弧噴涂工藝和先涂層后基體的復合鑄造工藝來制備金屬復合材料。傳統熱噴涂工藝需要先對鎂合金基體進行一定的表面處理，去除表面的氧化物、油污等雜質，使其具有一定的表面粗糙度，然后用電弧噴涂技術噴涂一層A1涂層，獲得包覆一層涂層的材料。

圖1為復合鑄造工藝示意圖。使用耐火磚制備型芯，為保證涂層和型芯的結合強度，型芯在400℃進行預熱;使用電弧噴涂技術在型芯表面噴涂一層厚約1mm的涂層，噴涂工藝參數如表1所示。然后將涂覆AI涂層的型芯放在模具中，模具預熱溫度為300℃;最后，將AZ91鎂合金基材放人熔煉爐中進行熔煉，待合金液溫度達到700℃并保溫一段時間后，將合金液澆注到模具中，實現涂層與基體的結合，最終獲得所需鑄件。

用線切割設備對兩種試樣進行切割，并將結合界面制成金相觀察試樣，然后通過光學顯微鏡（optical microscope，OM）、掃描電子顯微鏡（scanningelectron microscope，SEM）、能譜儀（energy dispersespectroscopy，EDS）、x射線衍射儀（X-raydiffractometer，XRD）和維氏硬度計對試樣結合界面的組織、成分和性能進行測試。

2結果與討論

圖2為通過傳統熱噴涂工藝得到的AI涂層/AZ91鎂合金復合界面的OM圖。從圖2中可以看到，AI涂層與鎂合金基體之間有一條明顯的分界線，結合方式為機械結合。在電弧噴涂過程中，熔融的AI絲被霧化，并噴射到基體上，由于霧化的AI液冷卻較快，到達基體后便會迅速凝固，界面之間未能有足夠的熱量進行熔合或擴散，形成機械結合界面。這種界面只是涂層和基體之間的機械咬合，結合強度不高。目前，研究者們通過改變噴涂材、溫度、基體的表面狀態、噴涂工藝參數和后處理等因素來提高涂層的結合強度，但這些方法難以有效地改變涂層機械結合的現狀。

與傳統的熱噴涂工藝相比，復合鑄造工藝過程中的熔融金屬，有足夠的熱量使其與涂層發生熔合和擴散，從而容易獲得冶金結合界面。圖3（a）為AI涂層與AZ91鎂合金基體固液結合界面圖，圖3（a）的右側為AZ91鎂合金基體，左側為Al涂層，中間為涂層和基體作用形成的擴散層，該擴散層分為A，B，C 3個區域，分別對應圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）。從圖3中可以看出，AZ91鎂合金基體中彌散分布著第二相，而靠近基體的區域A中的第二相連成網狀結構;中間區域B由單一的相組成，與區域A無明顯分界線，且區域A的相與區域B的相連成一體;靠近AI涂層一側為區域C，區域C中彌散分布著一些顆粒物。

在復合鑄造過程中，兩種材料界面之間的潤濕對冶金結合界面的形成起到非常重要的作用。電弧噴涂過程中，被霧化的AI液滴表面極易形成致密的氧化膜，這層氧化膜會阻礙AI液滴內部繼續氧化，使得AI液滴內部依然為純AI組織。因此，涂層表面和內部含有一定量的A12O3。A12O3非常穩定，并且熔點較高，對界面潤濕將產生重要影響。在復合鑄造過程中，通常固態金屬氧化物會阻礙界面之間的潤濕，需要在澆注前清理表面。在本試驗中，AI涂層未經任何表面處理，當AZ91鎂合金液和AI涂層接觸時，合金液便會與表面氧化物發生化學反應，實現界面之間的潤濕。

圖5為復合鑄造工藝下的AI涂層/AZ91鎂合金界面的EDS譜圖。從圖5中可以看到，O的含量較低，說明只有涂層表面很薄的一部分被氧化。從AZ91鎂合金基體到AI涂層，Mg的含量逐漸降低，AI的含量逐漸升高。在擴散層、基體和涂層的界面處，Mg和AI的含量變化很大，而在擴散層3個區域，各元素含量變化不大。當AZ91鎂合金液破碎涂層氧化物后，便與涂層發生熔合和擴散作用，形成新的組織，因此基體和擴散層界面元素含量出現劇烈變化。根據AI-Mg二元合金相圖可初步判斷，擴散層區域A的組織為共晶反應生成的AI12Mg17相和δMg相。隨著Mg向AI涂層進一步擴散，Mg含量越來越低，根據AI-Mg二元合金相圖可知，將出現單獨的A12，Mg17相。圖3（b）顯示，區域B和區域A無明顯分界線，區域B組織滲透到區域A中連為一體，因此可初步判斷區域B為單獨的AI12Mg17相。而在AI涂層一側的區域C，Mg含量進一步降低，根據AI-Mg二元合金相圖和圖4中XRD結果初步判定，區域C主要為AI3Mg2相。

為了進一步驗證擴散層3個區域的成分，在Al涂層/AZ91鎂合金界面處進行了EDS測試，見表2。點1和點2位于區域A，點1主要成分為Mg，點2含有質量分數36.80%的AI，其余為Mg。結合圖4，證明區域A為AI12Mg17相和6M。相的共晶組織。點3位于區域B，AI和Mg含量的比例可進一步說明，該區域為AI12Mg17相。點4和點5位于區域C，點5處含有較多的氧，說明Mg和涂層表面的AI2O3發生反應，生成了MgAI2O4相。點4中Mg和AI的比例進一步證明了區域C為A13Mg2相。

圖6為復合鑄造工藝下的AI涂層/AZ91鎂合金復合材料的維氏硬度。從圖6中可以看出，和基體相比，擴散層的硬度較高，證明擴散層形成了AI，cMgy金屬間化合物。由于金屬間化合物AI3Mg2的硬度要大于AI12，Mg17，區域C的硬度大于區域B。區域A中含有一定量的δMg，弱化了區域A的硬度，區域B的硬度大于區域A。

3結論

（1）采用復合鑄造工藝在AZ91鎂合金基體表面制備了具有冶金結合的AI涂層。

（2）Al涂層表面被AI2O3覆蓋，這層氧化物與AZ91鎂合金液發生反應，實現界面之間的潤濕，生成冶金結合界面。

（3）固液結合界面發生元素擴散作用，界面上形成了3個擴散層。Mg基體一側發生共晶反應，生成（AI12Mg17+SMg）共晶組織。中間層為擴散生成的AI12Mg17金屬間化合物，并部分滲透到共晶組織中。AI涂層一側Mg含量有限，生成A13Mg2金屬間化合物，并彌散分布著一些氧化物。

（4）擴散區域的硬度遠遠大于AZ91鎂合金基體和AI涂層的硬度，各區域的硬度與該處的相組成存在著密切的聯系。