CN102154641B - 镁合金表面Mg17Al12涂层及其熔覆工艺 - Google Patents

镁合金表面Mg17Al12涂层及其熔覆工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镁合金表面Mg17Al12涂层及其熔覆工艺，它是以Mg、Al为原料，按照质量比为Mg∶Al＝34∶27进行配比，在等离子束的作用下，发生原位反应，形成与微熔的镁合金基体表面呈冶金结合的涂层，物相组成为单相的Mg17Al12，组织形态为细密的树晶状，致密、均匀，无孔洞和裂纹。本发明采用等离子束对镁合金表面进行处理，工艺方法简单，操作容易，不需要真空室等复杂设备，只需在常压下氩气保护即可，盐雾腐蚀试验表明，涂层耐蚀性提高2.3～3.2倍。

Description

镁合金表面Mg17Al12涂层及其熔覆工艺
技术领域
本发明涉及金属表面处理领域，尤其涉及一种镁合金表面涂层的制备方法，更具体的讲本发明涉及一种镁合金表面等离子原位反应制备Mg17Al12金属间化合物涂层的方法。
背景技术
镁合金因其密度小，比强度和比刚度高，电磁屏蔽性能好以及易于机械加工等优点，备受汽车工业，武器装备，航空航天，电子产品等领域的青睐。但镁合金的化学活性高，耐蚀性能差，在大气中易氧化生成疏松多孔的氧化膜，无法阻止进一步的氧化；镁合金的质地比较软，硬度较低，表面耐磨性较差，这些都大大的限制了它的广泛应用。为了获得广泛应用，一般要对镁合金的表面进行处理。
目前，对镁合金的表面处理方法很多，主要有化学转化处理，化学氧化处理，有机涂层，金属镀层，表面改性等。
表面改性技术具有对基体的热影响小，且易实现自动化的优点，因此也得到了广泛的应用。与本发明有关的技术是表面改性技术。目前，国内外可查的文献、专利中，对于表面改性的报道以比较多，以等离子束表面改性以及镁合金表面制备金属间化合物涂层的方法的报道比较少。
例如；中国专利公开号CN1629352A(申请号：200410020853.8)2005年6月22日公开了“镁合金激光表面强化修复方法”，该方法使用脉冲激光或二氧化碳激光，在大气条件下，使用氩气进行保护，对镁合金的表面进行了强化修复。
中国专利公开号CN1986841A(申请号：200610097397.6)2007年6月27日公开了“基于激光冲击强化技术提高镁合金耐蚀性的方法”，该方法在镁合金表面涂上能量吸收涂层来吸收能量，在材料表面产生一个塑性变形层，从而提高镁合金表面的耐蚀性。
中国专利公开号CN101532134A(申请号：200910074232.0)2009年9月16日公开了“一种镁铝合金表面的激光重熔增强方法”，该方法采用火焰喷涂合金粉+激光重熔的方法，对镁铝合金板，镁铝合金棒表面进行增强处理，来提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性。
美国专利US4613386(Appl.No.：06/574.212)September 23，1986公开了“Method of making corrosion resistant magnesium and aluminumoxyalloys”，该方法在镁合金表面沉积一层铝、硅、钛、锰、锆等合金元素，然后在有氧环境下用高能脉冲激光辐照表面，在镁合金表面形成耐蚀性的合金氧化层。
以上文献报导能够在一定程度上提高镁合金的表面耐磨耐蚀性，扩展了镁合金的应用范围，但也存在不足之处：一是设备投资大，工艺繁琐，生产效率低，处理成本高；二是由于工艺和涂层材料原因，导致涂层与基体的结合性差，涂层耐腐蚀性差，因此限制了大规模的工业化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与基体结合力强、耐腐蚀性高的镁合金表面Mg17Al12涂层，
本发明同时提供一种设备投资小，工艺简单，生产效率高，处理成本低，能够大规模工业化应用的镁合金表面涂层的制备方法。
为达到上述目的，本发明的镁合金表面Mg17Al12涂层是以Mg、Al为原料，按照质量比为Mg∶Al＝34∶27进行配比，在等离子束的作用下，发生原位反应，形成与微熔的镁合金基体表面呈冶金结合的涂层，物相组成为单相的Mg17Al2，组织形态为细密的树晶状，致密、均匀，无孔洞和裂纹。
该涂层是由以下方法制备的：在镁合金表面涂覆以Mg、Al为原料的粉末混合物，原料按照质量比为Mg∶Al＝34∶27进行配比，采用高能量密度的等离子束作为热源，对涂覆Mg、Al粉末混合物的镁合金表面扫描加热，使Mg、Al粉末混合物发生Mg+Al→Mg17Al12原位反应，并与微熔的镁合金表面相结合，在镁合金表面生成冶金结合的Mg17Al12金属间化合物涂层。
该涂层不仅与镁合金基体保持冶金结合，而且厚度可控，能有效的提高抗腐蚀能力。
该方法的详细制备方法如下：
第一步：备好工业纯Mg、Al粉末，粉末的粒度为200目，Mg、Al组分按照Mg17Al12的分子式配比，质量百分比为：Mg∶Al＝34∶27；用真空干燥箱把所要反应的粉末在50℃烘干4-6小时，然后在混料机中充分混合3-4小时，再将粉末装入送粉器漏斗内。
第二步：将待处理的镁合金工件表面进行打磨，除去氧化层，并将其浸入丙酮中用超声波进行清洗以去除表面的油脂，然后用去离子水清洗，吹干。
第三步：将送粉器漏斗置于镁合金工件上方，打开漏斗开关，移动漏斗，在工件表面撒上粉末混合物，在5-15Mpa的压强下，用手动压平机将表面的粉末压平，要求压平后粉末厚度在1.5-2.5mm之间，然后将工件固定在等离子设备工作台上。
第四步：以氩气作为等离子发生和保护气体，等离子束的工艺参数：气流量0.3-0.5m3/h，等离子发生器的进给速度60-120mm/min，电流为40-80A，搭接率为5-20％。
第五步：开启等离子设备总电源开关，打开等离子设备的冷却水、氩气瓶开关，调整工艺参数，开启等离子束电源产生等离子束流，在等离子束的激发和热的辅助作用下，Mg、Al粉末层发生原位发应，生成Mg17Al12金属间化合物涂层，涂层厚度为0.5-1.0mm之间，并与镁合金基体微熔的表面冶金结合。
第六步：扫描加热完毕，关闭等离子电源，氩气、冷却水、等离子设备总电源开关。
第七步：工件处理后不需要退火处理。
本发明的原位反应式和合成原理是：
Mg+Al→Mg17Al12
在等离子束加热的过程中，混合好的Mg粉和Al粉发生反应，生成Mg17Al12金属间化合物，在氩气的保护下，与熔融态的镁合金基体结合，生成呈冶金结合的金属间化合物涂层。由于反应的过程比较迅速，镁合金的基体的冷却速度快，因此，生成的金属间化合物相来不及长大，得到的晶粒比较细小，涂层的致密度高、耐腐蚀性能好。
由于本发明采用了上述的技术方案，本发明具有以下优点和积极效果：
1、本发明采用等离子束对镁合金表面进行处理，工艺方法简单，操作容易，不需要真空室等复杂设备，只需在常压下氩气保护即可；
2、在等离子束的作用下，发生原位反应，形成与微熔的基体呈冶金结合的涂层，物相组成全部为Mg17Al12，组织形态为细密的树晶状，致密、均匀，无孔洞、裂纹，盐雾腐蚀试验表明，耐蚀性提高2.3～3.2倍。
3、通过调整工艺参数(扫描速度，电流)可以有效地控制涂层的厚度和基体的熔融程度，以及涂层与基体的结合性；
4、在等离子束流作用下，涂层的成分呈密度和成分梯度分布；
5、利用等离子束为主体热源，对镁合金进行表面处理，不需要严格的前处理，无环境污染，工作效率高。
具体实施方式
实施例1：
(1)备好工业纯Mg、Al粉末，粉末的粒度为200目，Mg、Al组分按照Mg17Al12的分子式配比，质量百分比为：Mg∶Al＝34∶27；用真空干燥箱把所要反应的粉末在50℃烘干4-6小时，然后在混料机中充分混合3-4小时，再将粉末装入送粉器漏斗内。
(2)将待处理的镁合金工件表面进行打磨，除去氧化层，并将其浸入丙酮中用超声波进行清洗以去除表面的油脂，然后用去离子水清洗，吹干。
(3)将送粉器漏斗置于镁合金工件上方，打开漏斗开关，移动漏斗，在工件表面撒上粉末混合物，在5Mpa的压强下，将表面的粉末压平，要求压平后粉末的厚度为1.5mm，等表面的粉末干燥后，将试样固定在工作台上，用夹具夹持好。
(4)打开等离子电源总开关，开启气、冷却水，等离子束的工艺参数为：气流量为0.3m3/h，等离子发生器的进给速度为60mm/min时，电流40A，搭接率为10％；在氩气保护下，对镁合金的表面进行处理，在等离子束的作用下，粉末发生原位反应，镁合金的基体微熔，形成呈冶金结合的金属间化合物涂层，涂层的厚度为0.5mm，处理后得到较为平整的表面。
该处理使镁合金的表面覆盖一层Mg17Al12金属间化合物涂层，盐雾腐蚀试验表明，耐蚀性提高2.3倍。
实施例2
与实施例1的不同之处是：
在镁合金的表面处理过程中，采用电流为50A，发生器的进给速度为80mm/min，在气流为0.4m3/h时，对镁合金的表面进行处理，在等离子束的作用下，粉末发生原位反应，镁合金的表面微熔，形成呈冶金结合的Mg17Al12金属间化合物涂层。该处理使镁合金的表面覆盖一层Mg17Al12涂层，盐雾腐蚀试验表明，耐蚀性提高2.5倍。
实施例3
与实施例1的不同之处是：
在镁合金的表面处理过程中，采用电流为60A，发生器的进给速度为100mm/min，在气流为0.3m3/h时，对镁合金的表面进行处理，在等离子束的作用下，粉末发生原位反应，镁合金的表面微熔，形成呈冶金结合的Mg17Al12金属间化合物涂层。该处理使镁合金的表面覆盖一层Mg17Al12涂层，盐雾腐蚀试验表明，耐蚀性提高2.7倍。
实施例4
与实施例1的不同之处是：
在10Mpa的压强下，形成的粉末的厚度为2.0mm，在镁合金的表面处理过程中，采用电流为50A，发生器的进给速度为80mm/min，在气流为0.4m3/h时，对镁合金的表面进行处理，在等离子束的作用下，粉末发生原位反应，镁合金的表面微熔，形成呈冶金结合的金属间化合物涂层，涂层的厚度为0.7mm，盐雾腐蚀试验表明，耐蚀性提高2.7倍。
实施例5
与实施例4的不同之处是：
在镁合金的表面处理过程中，采用电流为60A，发生器的进给速度为100mm/min，在气流为0.4m3/h时，对镁合金的表面进行处理，在等离子束的作用下，粉末发生原位反应，镁合金的表面微熔，形成呈冶金结合的金属间化合物涂层。
实施例6
与实施例4的不同之处是：
在镁合金的表面处理过程中，采用电流为70A，发生器的进给速度为120mm/min，在气流为0.4m3/h时，对镁合金的表面进行处理，在等离子束的作用下，粉末发生原位反应，镁合金的表面微熔，形成呈冶金结合的金属间化合物涂层。盐雾腐蚀试验表明，耐蚀性提高2.9倍。
实施例7
与实施例1的不同之处是：
在15Mpa的压强下，形成的粉末的厚度为2.5mm，在镁合金的表面处理过程中，采用电流为60A，发生器的进给速度为80mm/min，在气流为0.5m3/h时，对镁合金的表面进行处理，在等离子束的作用下，粉末发生原位反应，镁合金的表面微熔，形成呈冶金结合的金属间化合物涂层，涂层的厚度为1.0mm。盐雾腐蚀试验表明，耐蚀性提高2.9倍。
实施例8
与实施例7的不同之处是：
在镁合金的表面处理过程中，采用电流为70A，发生器的进给速度为100mm/min，在气流为0.5m3/h时，对镁合金的表面进行处理，在等离子束的作用下，粉末发生原位反应，镁合金的表面微熔，形成呈冶金结合的金属间化合物涂层。
实施例9
与实施例7的不同之处是：
在镁合金的表面处理过程中，采用电流为80A，发生器的进给速度为120mm/min，在气流为0.5m3/h时，对镁合金的表面进行处理，在等离子束的作用下，粉末发生原位反应，镁合金的表面微熔，形成呈冶金结合的金属间化合物涂层。盐雾腐蚀试验表明，耐蚀性提高3.2倍.
本发明所涉及的处理工艺稳定，在等离子束的作用下，Mg粉和Al粉发生原位反应，生成Mg17Al12金属间化合物，与微熔的镁合金的基体结合，在快速冷却下，形成了呈冶金结合的涂层。工艺方法简单，操作容易，通过调整工艺参数，可有效的控制涂层的厚度，以及基体的熔融深度，不仅提高镁合金与金属间化合物的结合性能，而且可以提高工作效率。

Claims (4)

1.一种镁合金表面Mg17Al12涂层的熔覆工艺，其特征在于，它的涂层是以Mg、Al为原料，按照质量比为Mg∶Al＝34∶27进行配比，在等离子束的作用下，发生原位反应，形成与微熔的镁合金基体表面呈冶金结合的涂层，物相组成为单相的Mg17Al12，组织形态为细密的树晶状，致密、均匀，无孔洞和裂纹；它的熔覆工艺是：在镁合金表面涂覆以Mg、Al为原料的粉末混合物，原料按照质量比为Mg∶Al＝34∶27进行配比，采用高能量密度的等离子束作为热源，对涂覆Mg、Al粉末混合物的镁合金表面扫描加热，使Mg、Al粉末混合物发生Mg+Al→Mg17Al12原位反应，并与微熔的镁合金表面相结合，在镁合金表面生成冶金结合的Mg17Al12金属间化合物涂层；详细熔覆工艺如下：
第一步：备好工业纯Mg、Al粉末，粉末的粒度为200目，Mg、Al组分按照Mg17Al12的分子式配比，质量百分比为：Mg∶Al＝34∶27；用真空干燥箱把所要反应的粉末在50℃烘干4-6小时，然后在混料机中充分混合3-4小时，再将粉末装入送粉器漏斗内；
第二步：将待处理的镁合金工件表面进行打磨，除去氧化层，并将其浸入丙酮中用超声波进行清洗以去除表面的油脂，然后用去离子水清洗，吹干；
第三步：将送粉器漏斗置于镁合金工件上方，打开漏斗开关，移动漏斗，在工件表面撒上粉末混合物，在5-15MPa的压强下，用手动压平机将表面的粉末压平，压平后粉末厚度在1.5-2.5mm之间，然后将工件固定在等离子设备工作台上；
第四步：以氩气作为等离子发生和保护气体，等离子束的工艺参数：气流量0.3-0.5m3/h，等离子发生器的进给速度60-120mm/min，电流为40-80A，搭接率为5-20％；
第五步：开启等离子设备总电源开关，打开等离子设备的冷却水、氩气瓶开关，调整工艺参数，开启等离子束电源产生等离子束流，在等离子束的激发和热的辅助作用下，Mg、Al粉末层发生原位发应，生成Mg17Al12金属间化合物涂层，涂层厚度为0.5-1.0mm之间，并与镁合金基体微熔的表面冶金结合；
第六步：扫描加热完毕，关闭等离子电源，氩气、冷却水、等离子设备总电源开关；
第七步：工件处理后不需要退火处理。
2.如权利要求1所述的镁合金表面Mg17Al12涂层的熔覆工艺，其特征在于，
在第三步骤中，在5MPa的压强下，将表面的粉末压平，压平后粉末的厚度为1.5mm；
在第四步中，等离子束的工艺参数：气流量0.3m3/h，等离子发生器的进给速度60mm/min，电流40A，搭接率10％，形成的涂层厚度为0.5mm，耐蚀性提高2.3倍；或者等离子束的工艺参数为：气流量0.4m3/h，发生器的进给速度80mm/min，电流50A，搭接率10％；形成的涂层厚度为0.5mm，耐蚀性提高2.5倍；或者等离子束的工艺参数为：气流量0.3m3/h，发生器的进给速度100mm/min，电流60A，搭接率10％，形成的涂层厚度为0.5mm，耐蚀性提高2.7倍。
3.如权利要求1所述的镁合金表面Mg17Al12涂层的熔覆工艺，其特征在于，
在第三步骤中，在10MPa的压强下，将表面的粉末压平，压平后粉末的厚度为2.0mm；
在第四步中，等离子束的工艺参数为：气流量为0.4m3/h，发生器的进给速度80mm/min，电流50A，搭接率10％，形成的涂层厚度为0.7mm，耐蚀性提高2.7倍；或者等离子束的工艺参数为：气流量0.4m3/h，发生器的进给速度为100mm/min，电流为60A，搭接率为10％，形成的涂层厚度为0.7mm，耐蚀性提高2.7倍；或者等离子束的工艺参数为：气流量0.4m3/h，发生器的进给速度120mm/min，电流70A，搭接率10％，形成的涂层厚度为0.7mm，耐蚀性提高2.9倍。
4.如权利要求1所述的镁合金表面Mg17Al12涂层的熔覆工艺，其特征在于，
在第三步骤中，在15MPa的压强下，将表面的粉末压平，压平后粉末的厚度为2.5mm；
在第四步中，等离子束的工艺参数为：气流量0.5m3/h，发生器的进给速度80mm/min，电流60A，搭接率10％，形成的涂层厚度为1.0mm，耐蚀性提高2.9倍；或者等离子束的工艺参数为：气流量0.5m3/h，发生器的进给速度100mm/min，电流70A，搭接率10％，形成的涂层厚度为1.0mm，耐蚀性提高2.9倍；或者等离子束的工艺参数为：气流量0.5m3/h，发生器的进给速度120mm/min，电流80A，搭接率10％，形成的涂层厚度为1.0mm，耐蚀性提高3.2倍。
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