CN109207985A - 一种镁合金表面高熵合金膜层的制备方法 - Google Patents

一种镁合金表面高熵合金膜层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镁合金表面高熵合金膜层的制备方法，是针对镁合金质地软、耐腐蚀性差的情况，将预先制备的高熵合金粉末和钢球放置在样品罐内，采用表面高能喷丸的方法，通过大的机械变形使高熵合金粉末紧密结合在AZ31镁合金表面，从而在AZ31镁合金表面形成一层具有保护作用的高熵合金层，这一方法大幅度提高了镁合金的表面机械性能和及耐蚀性能。表面合金层的腐蚀速率约是基材的1.5%，其耐磨性可提高一倍多。此制备方法工艺简单，量值准确翔实，涂层结合强度好，组织致密，是十分理想的镁合金的膜层增强方法。

Description

一种镁合金表面高熵合金膜层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种AZ31镁合金表面高熵合金膜层的制备方法，属有色金属改善表面机械性能、耐蚀性能及工艺制备的技术领域。
背景技术
镁及镁合金是一种有色金属合金，具有密度小，比强度和比刚度高，电磁屏蔽性好，易于加工等优点，在汽车工业、电子产品、航空航天领域得到广泛应用；但其化学活性高，耐腐蚀性差，在潮湿的空气中极易氧化生成疏松的多孔氧化膜，这些弊端已经限制了镁合金在更多领域的应用，为了使镁合金获得更加广泛的应用，对镁合金进行表面处理是非常必要的。
目前，镁合金的表面处理方法有多种形式，如化学转化处理法、阳极氧化处理法、有机涂层法、PVD法、电镀、表面喷涂金属等，这些表面改性方法虽然对镁合金有一定的作用，但也存在技术上的不足，有的工艺复杂，设备投资大，成本高，有的涂层与基体结合性差，易脱落，有的涂层物质性能不足，达不到增强、增硬、耐腐蚀的目的，总之，大部分都难以实现大规模工业化应用。
发明内容
本发明为解决目前镁合金的表面处理技术中工艺复杂、涂层物质性能不足等技术问题，提供一种镁合金表面高熵合金膜层的制备方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种镁合金表面高熵合金膜层的制备方法，采用以下原料：AZ31镁合金板材、镍粉、铁粉、铜粉、铬粉、钴粉；
包括以下步骤：
（1）精选化学物质材料
对使用的化学物质材料质量纯度控制如下：
AZ31镁合金板材：固态固体 99.8%以上；
镍粉：固态固体 99.0%以上；
铁粉：固态固体 99.0%以上；
铜粉：固态固体 99.0%以上；
铬粉：固态固体 99.0%以上；
钴粉：固态固体 99.0%以上；
（2）AZ31镁合金板材处理
将AZ31板切割成10mm*10mm*6mm的样品，在420℃下对AZ31样品进行固溶处理，保温时间为15h，保温时间结束后进行水淬，然后将板材样品表面进行研磨、抛光、清洗；
（3）球磨成高熵合金粉末
将镍粉、铁粉、铜粉、铬粉、钴粉按照等原子比混合，然后置于球磨机中进行球磨，球磨滚丸材料为GCr15钢；球磨滚丸与粉末材料体积之比为10：1，球磨转速为290~310r/min，无水乙醇为过程控制剂，球磨时间1800min；
（4）高熵合金膜层制备
将AZ31镁合金样品固定在高能喷丸设备的罐子顶部，将制得的高熵合金粉末放入罐子底部，将直径为8 mm、6mm和4mm等质量的GCr15钢球一起放入高能喷丸罐中，高能喷丸的震动频率为20kHz，喷丸时间为30min。
本发明与现有技术相比具有明显的先进性，是针对镁合金质地软、耐腐蚀性差的特点，将预先制备的高熵合金粉末和钢球放置在样品罐内，采用表面高能喷丸的方法，通过大的机械变形使高熵合金粉末紧密结合在AZ31镁合金表面，从而在AZ31镁合金表面形成一层具有保护作用的高熵合金层，这一方法大幅度提高了镁合金的表面机械性能和耐蚀性能。
本发明所述高熵合金混合细粉的制备方法可以保证制备出的高熵合金细粉利于喷丸；喷丸工艺所采用的参数能够确保高熵合金（混合细粉）在喷丸过程中可以通过塑性变形和基材紧密结合在一起。各个相关工艺以及参数的结合最终大幅度提高了镁合金的表面强度、硬度及耐腐蚀性。而且表面合金层的腐蚀速率约是基材的1.5%，其耐磨性可提高一倍多。
本发明以AZ31镁合金为基体，采用高熵合金粉末为表面膜层材料，经镍、铁、铜、铬、钴粉末混合、球磨、表面喷丸，形成高熵合金膜层，从而大幅度提高镁合金的表面力学性能和和耐腐蚀性能。该方法避免了传统上为获得同样功能的合金涂层而进行的扩散热处理引起的基材组织变化和力学性能的恶化。此制备方法工艺简单，量值准确翔实，涂层结合强度好，组织致密，是十分理想的镁合金的涂层增强方法，可在镁合金表面处理中实现批量生产应用。
附图说明
图1 为AZ31样品表面高熵合金膜层制备过程示意图。
图2 为表面制备高熵合金膜层样品的SEM截面形貌。
图3 为图2中白色实线处的EDS线扫描结果曲线。
图4 为高熵合金粉体及表面高熵合金膜层的XRD图。
图5 为AZ31基材和膜层样品浸泡在5wt.% NaCl溶液中的析氢速率和浸泡时间关系图。
图6 为AZ31基材和高熵合金膜层的极化曲线图。
图7 为高熵合金涂层的磨损实验后SEM表面形貌。
图8 为AZ31镁合金基材的磨损实验后SEM表面形貌。
具体实施方式
实施例1 一种镁合金表面高熵合金膜层的制备方法，采用以下原料：AZ31镁合金板材、镍粉、铁粉、铜粉、铬粉、钴粉；
包括以下步骤：
（1）精选化学物质材料
对使用的化学物质材料质量纯度控制如下：
AZ31镁合金板材：固态固体 99.8%以上；
镍粉：固态固体 99.0%以上；
铁粉：固态固体 99.0%以上；
铜粉：固态固体 99.0%以上；
铬粉：固态固体 99.0%以上；
钴粉：固态固体 99.0%以上；
（2）AZ31镁合金板材处理
将AZ31板切割成10mm*10mm*6mm的样品，在420℃下对AZ31样品进行固溶处理，保温时间为15h，保温时间结束后进行水淬，然后将板材样品表面进行研磨、抛光、清洗。
（3）球磨成高熵合金粉末
将镍粉、铁粉、铜粉、铬粉、钴粉按照等原子比混合，然后置于球磨机中进行球磨，球磨磨球材料为GCr15钢；球磨磨球与粉末材料体积之比为10：1，球磨转速为290r/min，无水乙醇为过程控制剂，球磨时间1800min；
（4）高熵合金膜层制备
将AZ31镁合金样品固定在高能喷丸设备的罐子顶部，将制得的高熵合金粉末放入罐子底部，将直径为8mm、6mm和4mm等质量的GCr15钢球一起放入高能喷丸罐中，高能喷丸的震动频率为20kHz，喷丸时间为30min。
实施例2 一种镁合金表面高熵合金膜层的制备方法，采用以下原料：AZ31镁合金板材、镍粉、铁粉、铜粉、铬粉、钴粉；
包括以下步骤：
（1）精选化学物质材料
对使用的化学物质材料质量纯度控制如下：
AZ31镁合金板材：固态固体 99.8%以上；
镍粉：固态固体 99.0%以上；
铁粉：固态固体 99.0%以上；
铜粉：固态固体 99.0%以上；
铬粉：固态固体 99.0%以上；
钴粉：固态固体 99.0%以上；
（2）AZ31镁合金板材处理
将AZ31板切割成10mm*10mm*6mm的样品，在420℃下对AZ31样品进行固溶处理，保温时间为15h，保温时间结束后进行水淬，然后将板材样品表面进行研磨、抛光、清洗。
（3）球磨成高熵合金粉末
将镍粉、铁粉、铜粉、铬粉、钴粉按照等原子比混合，然后置于球磨机中进行球磨，球磨磨球材料为GCr15钢；球磨磨球与粉末材料体积之比为10：1，球磨转速为300r/min，无水乙醇为过程控制剂，球磨时间1800min；
（4）高熵合金膜层制备
将AZ31镁合金样品固定在高能喷丸设备的罐子顶部，将制得的高熵合金粉末放入罐子底部，将直径为8mm、6mm和4mm等质量的GCr15钢球一起放入高能喷丸罐中，高能喷丸的震动频率为20kHz，喷丸时间为30min。
实施例3 一种镁合金表面高熵合金膜层的制备方法，采用以下原料：AZ31镁合金板材、镍粉、铁粉、铜粉、铬粉、钴粉；
包括以下步骤：
（1）精选化学物质材料
对使用的化学物质材料质量纯度控制如下：
AZ31镁合金板材：固态固体 99.8%以上；
镍粉：固态固体 99.0%以上；
铁粉：固态固体 99.0%以上；
铜粉：固态固体 99.0%以上；
铬粉：固态固体 99.0%以上；
钴粉：固态固体 99.0%以上；
（2）AZ31镁合金板材处理
将AZ31板切割成10mm*10mm*6mm的样品，在420℃下对AZ31样品进行固溶处理，保温时间为15h，保温时间结束后进行水淬，然后将板材样品表面进行研磨、抛光、清洗。
（3）球磨成高熵合金粉末
将镍粉、铁粉、铜粉、铬粉、钴粉按照等原子比混合，然后置于球磨机中进行球磨，球磨磨球材料为GCr15钢；球磨磨球与粉末材料体积之比为10：1，球磨转速为310r/min，无水乙醇为过程控制剂，球磨时间1800min；
（4）高熵合金膜层制备
将AZ31镁合金样品固定在高能喷丸设备的罐子顶部，将制得的高熵合金粉末放入罐子底部，将直径为8mm、6mm和4mm等质量的GCr15钢球一起放入高能喷丸罐中，高能喷丸的震动频率为20kHz，喷丸时间为30min。
还包括对产物的储存：对制备的高熵合金涂层样品用软质无尘纸包装，置于防潮柜中，以防水、防潮、防氧化、防酸碱盐侵蚀，储存温度为20℃±3℃，相对温度≤10%。
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为AZ31样品表面高熵合金膜层成膜过程示意图。高熵合金粉末附着在高能球丸表面，在球丸撞击AZ31镁合金表面同时，在高能作用下基材表面产生塑性变形的同时，高熵合金粉末也通过机械力作用结合在镁合金表面。随着时间的延长，高熵合金逐渐覆盖了镁合金整个表面，并且后续球丸表面附着的高熵合金粉末在高能作用下粘结在已经形成的膜层最表面，如此反复，膜层逐渐加厚。
图2所示，为镁合金样品表面的高熵合金膜层的微观结构截面图。由图可见：在AZ31基材表面形成了大于10微米的膜层，膜层与基材结合紧密。
图3所示，为高熵合金层的线扫描图谱。EDS分析结果可见镍、铁、铜、铬、钴五种元素的原子数之比基本为1:1:1:1:1。
图4所示，为球磨后混合粉末与表面形成高熵合金膜层样品的XRD衍射谱图，由图可知：通过高能喷丸处理在AZ31镁合金基材表面形成的膜层和喷丸前的混合粉末都是高熵合金。
图5所示，为基材和涂层样品浸泡在5wt.% NaCl溶液中的析氢速率和浸泡时间关系图。可见，随浸泡时间的延长，AZ31镁合金基材不仅逐渐发生腐蚀，而且还呈现逐渐加速腐蚀的趋势。然而，涂层样品几乎没有出现腐蚀。
图6所示，为经动电位扫描测试获得AZ31镁合金基体和表面有高熵合金涂层样品在3.5wt.%NaCl溶液中的极化曲线。从图中可以明显看出由于涂层的保护使得试样的自腐蚀电位正移2.1V，且腐蚀电流密度下降3个数量级，属于典型的阳极控制保护。根据塔菲尔外延法可以计算出，涂层样品的腐蚀速率仅仅为基材样品的1.5%。
图7所示，为高熵合金涂层的耐磨损实验后SEM表面形貌。明显可见，涂层样品呈现出一个明显的粘附磨损的特征。磨痕的宽度为0.7mm。
图8所示，为基材的耐磨损实验后SEM表面形貌。可见：在AZ31基材中，主要以规则的、犁沟一样的磨痕为特征，没有塑性拖尾状的痕迹，总之是属于磨粒磨损的特点。磨痕的宽度为1.1mm。和高熵合金膜层的SEM形貌对比发现，基材的耐磨性能较差。

Claims (1)

1.一种镁合金表面高熵合金膜层的制备方法，其特征在于：采用以下原料：AZ31镁合金板材、镍粉、铁粉、铜粉、铬粉、钴粉；
包括以下步骤：
（1）精选化学物质材料
对使用的化学物质材料质量纯度控制如下：
AZ31镁合金板材：固态固体 99.8%以上；
镍粉：固态固体 99.0%以上；
铁粉：固态固体 99.0%以上；
铜粉：固态固体 99.0%以上；
铬粉：固态固体 99.0%以上；
钴粉：固态固体 99.0%以上；
（2）AZ31镁合金板材处理
将AZ31板切割成10mm*10mm*6mm的样品，在420℃下对AZ31样品进行固溶处理，保温时间为15h，保温时间结束后进行水淬，然后将板材样品表面进行研磨、抛光、清洗；
（3）球磨成高熵合金粉末
将镍粉、铁粉、铜粉、铬粉、钴粉按照等原子比混合，然后置于球磨机中进行球磨，球磨磨球材料为GCr15钢；球磨磨球与粉末材料体积之比为10：1，球磨转速为290~310r/min，无水乙醇为过程控制剂，球磨时间1800min；
（4）高熵合金膜层制备
将AZ31镁合金样品固定在高能喷丸设备的罐子顶部，将制得的高熵合金粉末放入罐子底部，将直径为8mm、6mm和4mm等质量的GCr15钢球一起放入高能喷丸罐中，高能喷丸的震动频率为20kHz，喷丸时间为30min。
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