CN105063563B - 一种镁合金材料表面改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金材料表面改性方法。本发明分解为制备贴层和结合工艺两部分，其中制备贴层是在铝箔上使用气相沉积方法沉积保护或功能涂层，结合工艺是指镁‑铝异种材料的焊接。利用铝材料特性，可选择沉积一系列金属和陶瓷涂层，然后再利用熔焊或固态扩散焊接的方法使镁铝界面形成冶金结合，从而实现对镁合金材料表面的改性。本发明实现了对镁合金表面改性的技术分离，对两个部分可进行独立设计和技术实现，既克服了气相沉积时镁及其合金蒸气压高等问题，又快速高效的实现了涂层与镁合金材料表面的冶金式结合。同时本发明对镁合金材料表面形状适应性强，可对形状复杂的表面和大尺寸工件表面实现涂覆，也可对镁合金材料表面进行修复。

Description

一种镁合金材料表面改性方法

技术领域

本发明涉及一种结合气相沉积和焊接技术的表面处理方法，具体讲，涉及一种镁合金材料表面改性方法。

背景技术

镁及镁合金因其具有密度小，比强度和刚度高，导散热和导电性好，机械加工性能好且利于回收利用等优异性能，被广泛用于航空航天、交通运输、电子设备、通讯设备、军用品、机械设备等领域。由于镁合金在酸性和中性环境中的耐蚀性差；室温强度和硬度低、耐磨性差,这成为制约其发展和应用的关键问题。对镁合金进行表面改性是改善其性能的有效途径。目前几乎所有的表面处理方法都在镁合金上做过尝试。电化学镀生产成本低，操作简易，但对环境的危害较大，废弃物处理成本高，而且电化学涂层与基体的结合力差，容易剥落。阳极氧化技术制备的膜层疏松、多孔，必须进行封闭处理后才能使用。相对于这些技术而言，气相沉积技术采用的设备昂贵，但制备的膜层致密度高，与基体结合力好，而且涂层种类丰富(可以是金属层或陶瓷层)，结构设计性强(可以是单层膜、多层膜和复合膜)，为镁合金的防护提供了更多的选择方案。通常气相沉积技术可分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。由于CVD技术的处理温度在900℃以上，而镁合金的熔点较低，因而其在镁合金上的适用性较小。而PVD技术在镁合金表面沉积薄膜过程中的温度较CVD低，属环境友好型技术，且薄膜的结合力可满足需求，更适用于镁合金表面改性工程。

然而，由于镁合金的稳定温度较低(180℃),给镁合金的PVD处理带来了困难,更重要的是镁合金在真空中的蒸气压高且不稳定致使涂层成分不能够实现精确控制，并且PVD制备设备和工艺特点决定了对形状复杂的表面和大尺寸工件表面难以进行表面涂覆。本发明结合气相沉积工艺特点和焊接技术，提出了一种涂层和焊接工艺分别考虑的、高效的镁合金表面改性方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可设计和控制涂层结构和成分的镁合金材料表面改性方法，同时可实现对镁合金材料形状复杂的表面和大尺寸工件表面进行表面改性。

技术解决方案：

本发明提出的镁合金材料表面改性方法分为，制备贴层和结合工艺两个部分。其中制备贴层是在铝箔上使用气相沉积方法沉积保护或功能涂层，结合工艺是指镁-铝异种材料的焊接。

所述涂层与铝材料界面结合性好，且660°C温度下性能稳定。

所述铝材料选择厚度为0.01mm～0.15mm间的双光面铝箔，涂层选择钛、镍、氮化钛、碳化钛、氮化铬、钛铝氮、钛硅氮以及以它们两种或多种为调制组分形成的多层膜。

所述镁-铝及其合金的界面结合采用熔态或固态扩散的方式进行焊接。

贴层选择铝作为涂层的基体材料是因为铝与镁同属轻质合金，且熔点温度接近，可利用熔焊或固态扩散的方式使其与镁合金材料实现很好的界面结合，为下一步焊接工艺参数的选择提供了良好的条件；另一方面，可利用利用铝的柔韧性好的特点，在涂层厚度不大情况下通过加压使铝表面与镁合金材料紧密贴合，从而实现对镁合金材料复杂形状结构（包括复杂几何曲面和内孔）的涂覆。

作为基体材料的铝，厚度太薄会影响气相沉积和焊接前的去除氧化层工艺和焊接时的界面结合强度；厚度太厚则会影响到表面涂层的性能，降低表面改性的效果。加之对铝表面粗糙度的考虑，本发明选择采用厚度在0.01mm～0.15mm间的双光面铝箔。

所述涂层材料的选择需要考虑涂层与铝箔的界面结合力，以及涂层在高温下性能稳定性。由于所选的保护或功能涂层要沉积在铝箔上，而膜基结合力是涂层技术的重要指标，故选择的涂层材料要与铝有很好的界面结合力。又由于贴层与镁合金焊接是在一定温度下（470～660°C）进行的，故选择的涂层在此温度范围内性能应保持稳定。

目前用于镁合金材料表面防腐耐磨的气相沉积膜主要有金属型和陶瓷型两大类。金属型中获得较好防护效果的有铝、钛、镍；陶瓷型中采用较多的有氮化钛、碳化钛、氮化铬、钛铝氮以及它们的组合。由于本发明在后期焊接时需要在温度470～660°C下进行，涂层材料若选用铝会使晶粒长大，丧失表面组织细密化的特征；而选用钛、镍材料则不会类似问题，故本发明可选用的涂层材料有纯金属钛和镍，陶瓷材料氮化钛、碳化钛、氮化铬、钛铝氮以及以它们为调制组分形成的多层膜。

本发明实现了对镁合金表面改性的技术分离，对两个部分可进行独立设计和技术实现，既克服了气相沉积时镁及其合金蒸气压高问题，又快速高效的实现了涂层与镁合金材料表面的冶金式结合。同时本发明对镁合金材料表面形状适应性强，可对形状复杂的表面和大尺寸工件表面实现涂覆，也可对镁合金材料表面进行修复。

具体实施方式

本发明以陶瓷材料中硬度最高的钛硅氮为一实例，具体阐述其工艺参数。

在厚度为0.15mm厚的双光面铝箔上沉积氮化钛，然后再在氮化钛层上沉积钛硅氮。其具体实施过程为：在铝箔上沉积氮化钛薄膜之前，首先对铝箔进行表面去除氧化层处理；采用磁控溅射方式进行气相沉积，真空低于3×10^-3Pa时通入氩气，沉积时背景分压为6×10^-1Pa，沉积温度为350°C，氮化钛功率为200W，钛硅氮薄膜中硅的含量为8at.%，沉积速度约为0.15nm/s。在具体实施过程中为增加膜基结合性能，同时避免因硬度突变而引起的脱层，在铝箔与钛硅氮层间加入了氮化钛层。

所述镁-铝结合部分可采用焊接或粘结的方式，考虑界面结合强度以及防腐耐磨的效果，推荐采用焊接的方式。虽然镁/铝异种金属的焊接技术还不算成熟，但已有很多关于此技术的报道，在焊接方法、工艺参数、填充材料的选择以及接头组织性能等方面均有研究。参见：LiuPeng,et al. Investigation of interafeial structure of Mg/Al vacuumdiuffsion -bonded joint.vcuum,2006,80(5):395-399。

由于铝和镁熔点相近，可采用熔焊或固态焊接方法。考虑到固相焊可以避免异种金属熔焊时的焊接缺陷，如裂纹、气孔、变形等问题，另外根据界面扩散理论分析，熔焊可能会产生更多的脆性相铝镁化合物，故采用固态扩散焊接的方式可能会获得较高的界面结合强度。

由于涂层是在制备贴层部分获得的，在实施焊接时并不与镁合金材料接触，所以在焊接部分设计上仅考虑铝箔与镁合金材料界面的结合，利用铝箔的柔韧性较好的特点，在涂层厚度不大情况下可通过加压方式使铝箔表面与镁合金材料紧密结合，从而实现对镁合金材料复杂形状结构（如复杂几何曲面、内孔）的涂覆。另外，对大尺寸工件表面可采用拼接组合的方式进行涂覆。

本发明采用真空扩散焊接的方式做一实例，具体实施为：首先贴层的铝表面和需要涂层保护的镁合金材料表面进行去除氧化膜，并用8%HNO₃酒精和3%HF酒精溶液分别对镁和铝表面进行腐蚀。对上述铝表面和镁合金材料进行贴合固定，密封后通入氩气并保持0.15MPa的压力（若密封有困难也可采用机械紧固的方式进行加压），然后进行加温，温度范围为475°C,保温时间2小时。

利用本发明可实现对镁合金表面改性的技术分离，分为贴层和结合两个部分，对两部分可进行独立设计和实现。贴层部分可在铝箔上方便制备一系列的保护或功能涂层，其制备工艺成熟，涂层材料选择范围广，并且可实现规模化、标准化的生产降低工业成本；结合部分技术为镁铝界面的连接，其相关领域研究也很多，工艺实施简单，操作方便。

Claims (1)

1.一种镁合金材料表面改性方法，其特征在于，先在铝材料上气相沉积涂层后形成贴层，然后贴层与镁合金材料结合；所述铝材料选择厚度为0.01mm～0.15mm间的双光面铝箔，涂层选择氮化钛、碳化钛、氮化铬、钛铝氮、钛硅氮以及以它们两种或多种为调制组分形成的多层膜；

所述涂层制备工艺为：在铝箔上沉积氮化钛，然后再在氮化钛层上沉积钛硅氮；在铝箔上沉积氮化钛薄膜之前，首先对铝箔进行表面去除氧化层处理；气相沉积的背景分压为6×10^-1Pa，沉积温度为300～450°C，沉积速度约为0.1~0.2nm/s；镁-铝及其合金的界面结合采用熔态或固态扩散的方式进行焊接，焊接时铝箔表面和镁合金材料表面进行去除氧化膜，并用8%HNO₃酒精和3%HF酒精溶液分别对镁和铝表面进行腐蚀；固定铝箔和镁合金材料使其贴合，采用密封充入惰性气体或机械的方式进行加压至0.1～0.2MPa，然后进行加温，温度范围为460～490°C,保温时间为1～2小时。