CN111893478B - 一种镁合金表面铝基复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种镁合金表面铝基复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种镁合金表面铝基复合涂层及其制备方法，属于材料表面加工领域。本发明利用冷喷涂技术对镁合金基体进行纳米化处理，然后利用冷喷涂技术将纳米晶铝基复合粉末沉积在所得镁纳米晶化层表面，形成纳米晶铝基复合涂层，由于镁合金基体纳米晶表面和纳米晶铝基复合涂层的“双纳米化”结构，可显著降低涂层与镁合金基体间的扩散温度，能够在180～380℃的低温条件下实现铝基复合涂层与镁合金基体间的扩散，并且铝基复合涂层与镁合金基体间形成连续镁铝金属间化合物冶金扩散层。本发明提供的制备方法方法可控性好、生产率高，制备得到的镁合金表面铝基复合涂层的抗腐蚀和耐磨损性能优异。

Description

一种镁合金表面铝基复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料表面加工技术领域，具体涉及一种镁合金表面铝基复合涂层及其制备方法。
背景技术
镁合金因其密度小、比强度高、导热及导电性能良好等优点，在航空航天、电子信息、汽车、交通及国防等领域具有重要应用价值。但镁及镁合金的化学和电化学活性极高，氧化膜疏松多孔无法起到保护作用，导致其抗腐蚀性能极差；同时，镁合金硬度低、摩擦系数高，其耐磨损性能也较差，这是目前制约镁合金应用与发展的瓶颈所在。因此，提高镁合金的抗腐耐磨性能，对于推动其广泛应用具有重要意义。
一般情况下，镁合金的腐蚀和磨损主要发生在其表面，因此，对镁合金进行表面防护是改善其抗腐耐磨性能的最直接方法。目前，镁合金的表面防护技术主要有化学转化、阳极氧化、微弧氧化、化学镀、电镀、物理和化学气相沉积、激光表面处理、热喷涂以及高温扩散处理等。以上方法均有自身的特点，适用于不同的应用场合，但各自也存在一定局限性，例如，采用阳极氧化和化学转化方法制备的镁合金表面涂层，其导电性较差；采用电镀、化学镀和气相沉积方法制备的镁合金表面涂层，涂层与基体间为非冶金结合，因而使用过程中易于发生涂层剥落现象，同时，还存在成本高、工艺复杂及易造成环境污染等问题；激光表面处理方法制备的防护涂层与基体间为可靠冶金结合，但其成本较高，且难以应用于具有复杂形状的镁合金零部件。
热喷涂表面涂层防护技术，工艺简单、成本低廉、且沉积效率高，采用热喷涂技术在镁合金表面制备铝、铝锌等铝合金涂层，可显著提高镁合金的耐腐蚀性能，因此，镁合金表面热喷涂铝或铝合金涂层是镁合金表面防护的重要方法。但以下两个方面的不足限制了其性能发挥：
一方面，镁合金表面热喷涂铝涂层与镁合金基体间是简单机械结合，必须经过高温热扩散处理在涂层与镁合金基体界面扩散形成致密镁铝金属间化合物扩散层(主要为β-Mg17Al12和γ-Mg2Al3)，才能有效提高其耐腐蚀性能。但是，目前，镁合金表面热喷涂铝或铝合金涂层的扩散温度大多在430～650℃左右，高于镁铝共晶温度点(437℃)，这不仅会导致涂层与镁合金基体界面形成的Mg-Al扩散层出现熔化和裂纹，恶化其耐腐蚀磨损性能、显著降低涂层与基体间的结合强度；同时，还会造成熔点较低的镁合金部件变形以及内部组织结构的变化，进而降低其力学性能。中国专利CN101058875A公开了一种镁合金表面无机熔盐扩散防护的方法，可在较低温度(230～320℃)下通过在镁合金表面熔盐扩散铝，在镁合金表面形成具有防腐蚀性能的Mg-Al金属间化合物层，但由于镁合金活性较高，高温熔盐会对镁合金表面产生腐蚀作用，造成扩散层厚度薄且易引入涂层缺陷。此外，目前大多数镁合金表面热喷涂铝涂层在热扩散处理后，其涂层与镁合金基体界面形成的镁铝扩散层呈非连续分布(即，扩散层组织为β-Mg17Al12相和α-Mg相的混合物)。例如，中国专利CN101161853A公开了一种通过表面纳米化降低热喷涂铝涂层与镁合金基体界面热扩散温度的方法，该方法制备的扩散层就为非连续分布的镁铝扩散层(扩散层组织为β-Mg17Al12相和α-Mg相的混合物)。研究表明，当Mg-Al金属间化合物扩散层呈连续分布时(即，整个扩散层为由单一β-Mg17Al12相组成)，可在镁合金表面形成最有效的腐蚀阻碍层；否则，对于上述非连续分布的Mg-Al扩散层，随着α-Mg的含量增加，β-Mg17Al12会与α-Mg基体发生电偶腐蚀加速镁合金腐蚀。因此，如何在降低镁合金与其表面铝或铝合金涂层间热扩散温度的同时，保证形成连续Mg-Al扩散层是一个需要解决的问题。
另一方面，尽管铝或铝合金涂层可提高镁合金基体的耐腐蚀性能，但其硬度不高，难以改善镁合金的耐磨损性能。在铝或铝合金中添加陶瓷颗粒(如Al2O3、SiC、TiC等)制备铝或铝合金基复合材料涂层，可显著提高涂层硬度，是提高铝及铝合金涂层耐磨性的一种常用方法，但复合涂层内部孔隙较多，导致其耐腐蚀性能显著下降。同时，由于金属粉末和陶瓷颗粒的机械性能差异较大，目前，大多数铝基复合涂层中的陶瓷相含量都远低于初始喷涂粉末，这不仅导致复合涂层的耐磨损性能提高有限，也影响通过粉末成分设计来调控涂层性能。例如，中国专利CN103255410B公开了一种采用低温气动喷涂在镁合金表面制备纯铝涂或纯铝/硬质相(SiC或Al2O3)抗腐蚀涂层的方法。但该方法制备的涂层与镁合金基体间为机械结合、无冶金扩散层，涂层与基体结合强度有限；涂层孔隙较多，需要进行后续喷丸致密化或封孔处理，同时，喷涂粉末中陶瓷颗粒的含量仅为2～30％，所以，涂层的耐磨性提高有限。
传统热喷涂技术，例如，电弧喷涂、超音速火焰喷涂和等离子喷涂等，由于使用高温热源，在制备铝基金属涂层时不可避免地存在一定程度的氧化、相变、分解及晶粒显著长大等问题，导致所得涂层孔隙较大以及成分和组织可控性较差，且涂层结合强度较低。因此，寻找一种镁合金表面高抗腐耐磨铝基复合涂层，并提供一种工艺简单、对镁合金基体热影响小的涂层制备技术，对于提高镁合金的耐腐蚀磨损性能，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种镁合金表面铝基复合涂层及其制备方法。本发明提供的制备方法能够在镁合金表面得到组织致密、兼具高抗腐蚀性和高耐磨损性的铝基复合涂层，且制备方法操作简单，适宜工业化生产。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种镁合金表面铝基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用冷喷涂工艺对镁合金基体表面进行喷丸纳米化处理，在镁合金基体表面形成镁纳米晶化层；
(2)将纳米晶铝基复合粉末冷喷涂沉积在所述镁纳米晶化层的表面，得到镁合金表面纳米晶铝基复合涂层；
所述纳米晶铝基复合粉末包括铝或铝合金基体和硬质颗粒，所述铝或铝合金基体的晶粒具有纳米尺寸特征，所述硬质颗粒在铝或铝合金基体上呈均匀弥散分布状态；
(3)将所述镁合金表面米晶铝基复合涂层进行低温保温处理，得到镁合金表面铝基复合涂层；所述铝基复合涂层与镁合金基体间形成连续镁铝金属间化合物冶金扩散层；所述低温保温处理的温度为180～380℃。
优选的，步骤(1)中，所述表面纳米化层的晶粒尺寸为50～200nm，厚度为25～100μm。
优选的，步骤(1)中，所述冷喷涂喷丸纳米化处理的工艺参数包括：喷丸距离为50～80mm，喷丸尺寸为0.03～1mm，喷丸气体压力为0.1～1.5MPa，喷枪移动速度为10～80mm/s。
优选的，步骤(2)中，所述纳米晶铝基复合粉末的粒度为3～80μm；所述硬质颗粒的粒度为30nm～25μm。
优选的，步骤(2)中，所述硬质颗粒包括陶瓷颗粒、金属陶瓷颗粒、金属间化合物颗粒和金属合金颗粒中的一种或几种；
所述铝基粉末包括铝粉和/或铝合金粉。
优选的，所述陶瓷颗粒包括Al2O3、TiC、SiC、ZrO和WC中的一种或几种；
所述金属陶瓷颗粒包括WC-Co和/或NiCr-Cr3C2；
所述金属间化合物颗粒包括Mg17Al12、FeAl和NiAl中的一种或几种；
所述金属合金颗粒包括不锈钢颗粒、铁基合金颗粒和镍基合金颗粒的一种或几种。
优选的，所述硬质颗粒的体积占纳米晶铝基复合粉末体积的15～75％。
优选的，所述冷喷涂沉积的工艺参数包括：喷涂气体为N2气体，加速气体压力为1.5～3.5MPa，送粉气压力为2～4.0MPa，送粉率为5～80g/min，喷涂温度为100～500℃，喷涂距离为5～30mm，喷枪移动速度为5～50mm/s。
优选的，所述低温保温处理的时间为2～12h；所述低温保温处理在无氧环境下进行。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备的镁合金表面铝基复合涂层。
本发明提供了一种镁合金表面铝基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)采用冷喷涂工艺对镁合金基体表面进行喷丸纳米化处理，在镁合金基体表面形成镁纳米晶化层；(2)将纳米晶铝基复合粉末冷喷涂沉积在所述镁纳米晶化层的表面，得到镁合金表面纳米晶铝基复合涂层；所述纳米晶铝基复合粉末包括铝或铝合金基体和硬质颗粒，所述铝或铝合金基体的晶粒具有纳米尺寸特征，所述硬质颗粒在铝或铝合金基体上呈均匀弥散分布状态；(3)将所述镁合金表面纳米晶铝基复合涂层进行低温保温处理，得到镁合金表面铝基复合涂层；所述铝基复合涂层与镁合金基体间形成连续镁铝金属间化合物冶金扩散层；所述低温保温处理的温度为180～380℃。本发明利用冷喷涂低温、高速的特点来实现镁合金表面的纳米化处理及在纳米化表面上进行无氧化、致密度高、耐磨、耐腐蚀的纳米晶铝基复合涂层的原位制备，并基于镁合金基体表面纳米晶和铝基复合涂层纳米晶的“双纳米化”结构，能够大幅度降低铝基复合涂层与镁合金基体之间冶金结合的扩散温度，从而实现在低温保温处理条件下获得与镁合金基体表面冶金结合的抗腐蚀和耐磨损性能优异的铝基复合涂层。具体来说，一方面基于冷喷涂技术的高速颗粒碰撞现象，采用刚性颗粒对镁合金基体表面进行碰撞纳米化处理，从而在镁合金基体表面获得纳米晶变形层；另一方面，基于冷喷涂低温“移植”特性来实现在镁合金表面制备无氧化、致密纳米晶铝基复合涂层；而且，基于镁合金基体纳米晶表面和纳米晶铝基复合涂层的“双纳米化”结构，显著降低涂层与基体间的扩散温度，经低温保温处理后镁合金表面和铝基复合涂层之间形成了连续镁铝金属间化合物的冶金扩散层。本发明提供的制备方法方法可控性好、生产率高，可明显提高镁合金的抗腐蚀和耐磨损性能，增加镁合金的有效寿命并扩大其应用领域。
本发明提供的制备方法制备的镁合金表面铝基复合涂层中，由于铝基复合涂层为纳米晶，其内部弥散分布大量微米级、亚微米级或纳米级的硬质颗粒增强相，因此，涂层具有超高的硬度和优异的耐磨损性能。同时，该铝基复合涂层的组织致密且其与镁合金基体间形成了连续镁铝金属间化合物冶金扩散层，因此，该铝基复合涂层呈现高结合强度和优异抗腐蚀性能。
附图说明
图1为镁合金表面铝基复合涂层的制备流程图；
图2为镁合金表面铝基复合涂层的结构示意图；
图3为实施例1球磨前的铝粉末和硬质颗粒的形貌图，其中，(a)为铝粉末，(b)为硬质颗粒；
图4为实施例1制备的纳米晶铝基复合粉末的表面形貌图；
图5为实施例1制备的纳米晶铝基复合粉末的断面结构图；
图6为实施例1制备的纳米晶铝基复合粉末的XRD谱图；
图7为实施例1制备的镁纳米晶化层的表面形貌图；
图8为实施例1制备的镁纳米晶化层的断面结构图；
图9为实施例1制备的镁纳米晶化层的TEM图；
图10为实施例1制备的镁合金表面纳米晶铝基复合涂层的断面结构图；
图11为实施例1制备的连续铝镁金属间化合物扩散层的断面结构图；
图12为对比例1制备的镁合金表面铝基复合涂层的断面结构图；
图13为对比例2制备的镁合金表面铝基复合涂层的断面结构图。
具体实施方式
本发明提供了一种镁合金表面铝基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用冷喷涂工艺对镁合金基体表面进行喷丸纳米化处理，在镁合金基体表面形成镁纳米晶化层；
(2)将纳米晶铝基复合粉末冷喷涂沉积在所述镁纳米晶化层的表面，得到镁合金表面纳米晶铝基复合涂层；
所述纳米晶铝基复合粉末包括铝或铝合金基体和硬质颗粒，所述铝或铝合金基体的晶粒具有纳米尺寸特征，所述硬质颗粒在铝或铝合金基体上呈均匀弥散分布状态；
(3)将所述镁合金表面米晶铝基复合涂层进行低温保温处理，得到镁合金表面铝基复合涂层；所述铝基复合涂层与镁合金基体间形成连续镁铝金属间化合物冶金扩散层；所述低温保温处理的温度为180～380℃。
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明采用冷喷涂工艺对镁合金基体表面进行喷丸纳米化处理，在镁合金基体表面形成镁纳米晶化层。
在本发明中，所述镁合金基体优选为铸态镁合金基体；本发明对于所述镁合金基体的种类没有特殊限定，采用本领域熟知的镁合金基体即可，具体如AZ91D镁合金基体或AZ31B镁合金基体。
在本发明中，所述冷喷涂喷丸纳米化处理前，优选包括先对所述镁合金基体表面依次进行粗磨、细磨、抛光和清洗。本发明对于所述粗磨、细磨和抛光的操作没有特殊限定，采用本领域熟知的粗磨、细磨和抛光操作即可。在本发明中，所述清洗采用的溶剂优选为乙醇；所述清洗优选在超声条件下进行。
在本发明中，所述冷喷涂喷丸纳米化处理的镁合金基体的深度优选为50～100μm，更优选为60～90μm，最优选为70～80μm。
在本发明中，所述冷喷涂喷丸纳米化处理采用的设备优选为机械手加持冷喷涂喷枪；所述冷喷涂喷丸纳米化处理的操作优选包括：将所述镁合金基体固定在工作台上，采用机械手加持冷喷涂喷枪对镁合金基体表面进行移动喷丸处理，从而保证镁合金基体的整个处理面平整。
在本发明中，所述镁纳米晶化层的粗糙度优选为Ra 0.4～0.8。在本发明中，所述镁纳米晶化层的厚度优选为25～100μm；所述镁纳米晶化层的纳米晶粒的粒度优选为50～200nm，更优选为80～150nm。在本发明中，所述镁纳米晶化层的纳米晶粒的尺寸呈梯度分布，最表层的纳米晶粒的尺寸优选<100nm，随着纳米化层深度的增加，纳米晶粒的尺寸也不断增大。
在本发明中，所述冷喷涂喷丸纳米化处理的工艺参数包括：喷丸距离优选为50～80mm，更优选为60～70mm；喷丸尺寸优选为0.03～1mm，更优选为0.03～0.5mm；喷丸气体压力优选为0.1～1.5MPa，更优选为0.5～1.2MPa；喷枪移动速度优选为10～80mm/s，更优选为20～70mm/s。在本发明中，所述冷喷涂喷丸纳米化处理采用的喷丸优选为刚性颗粒喷丸，所述刚性颗粒喷丸优选包括陶瓷颗粒、玻璃颗粒、金属陶瓷颗粒、高硬度金属或合金颗粒；本发明对于所述陶瓷颗粒、玻璃颗粒、金属陶瓷颗粒、高硬度金属或合金颗粒的具体种类没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的陶瓷颗粒、玻璃颗粒、金属陶瓷颗粒、高硬度金属或合金颗粒即可。
本发明基于冷喷涂技术的高速颗粒碰撞现象，采用刚性颗粒喷丸对镁合金基体表面进行碰撞纳米化处理，从而在镁合金基体表面获得纳米晶变形层(即镁纳米晶化层)，有利于后续的纳米晶铝基复合粉末与其结合，并有利于在镁纳米晶化层和纳米晶铝基复合涂层之间形成连续镁铝金属间化合物的冶金扩散层。
得到镁纳米晶化层后，本发明将将纳米晶铝基复合粉末冷喷涂沉积在所述镁纳米晶化层的表面，得到镁合金表面纳米晶铝基复合涂层；所述纳米晶铝基复合粉末包括铝或铝合金基体和硬质颗粒，所述铝或铝合金基体的晶粒具有纳米尺寸特征，所述硬质颗粒在铝或铝合金基体上呈均匀弥散分布状态。
在本发明中，所述纳米晶铝基复合粉末的制备方法，优选包括以下步骤：将硬质颗粒与铝或铝合金粉末混合，进行机械合金化高能球磨，得到纳米晶铝基复合粉末。在本发明中，所述硬质颗粒的尺寸优选为微米级和/或纳米级，所述硬质颗粒的粒度优选为30nm～25μm，更优选为50nm～15μm，最优选为100nm～5μm。在本发明中，所述硬质颗粒优选包括陶瓷颗粒、金属陶瓷颗粒、金属间化合物颗粒和金属合金颗粒中的一种或几种。在本发明中，所述陶瓷颗粒优选包括Al2O3、TiC、SiC、ZrO和WC中的一种或几种；所述金属陶瓷颗粒优选包括WC-Co和/或NiCr-Cr3C2；所述金属间化合物颗粒优选包括Mg17Al12、FeAl和NiAl中的一种或几种；所述金属合金颗粒优选包括不锈钢颗粒、铁基合金颗粒、镍基合金颗粒的一种或几种；当本发明采用两种以上的硬质颗粒时，本发明对于所述不同的硬质颗粒的用量比没有特殊限定，任意比例均可。在本发明中，所述铝或铝合金粉末优选包括铝粉和/或铝合金粉。在本发明中，所述硬质颗粒的体积优选占所述纳米晶铝基复合粉末体积的15～75％，更优选为20～60％，最优选为30～50％。
在本发明中，所述机械合金化高能球磨采用的设备优选为高能球磨机，更优选为行星式球磨机，最优选为低温行星式球磨机。在本发明中，所述机械合金化高能球磨优选为在保护性气氛中、低温或真空条件下进行；所述保护性气氛优选为氮气或氩气；所述低温的温度优选为-190～15℃，更优选为-190～0℃；所述真空的压力优选为102～104Pa，更优选为103～104Pa。在本发明中，所述机械合金化高能球磨的球料比优选为10～30:1，更优选为15～25:1；所述高能球磨机的转速优选为150～400rpm，更优选为180～300rpm。在本发明中，所述纳米晶铝基复合粉末的粒度优选为3～80μm，更优选为5～60μm，最优选为10～50μm。在本发明中，机械合金化高能球磨使得硬质颗粒在铝或铝合金基体上呈均匀弥散分布状态。在上述条件下机械合金化高能球磨得到的纳米晶铝基复合粉末无需进行进一步的筛分，可直接作为冷喷涂原料粉末使用。本发明基于机械合金化技术具有的高效、简单、可控的特点，通过机械合金化高能球磨得到纳米晶铝基复合粉末，其铝或铝合金基体晶粒具有纳米尺寸特征，硬质颗粒在铝或铝合金基体上呈均匀弥散分布状态对铝或铝合金基体起到弥散强化作用，且尺寸在30nm～25μm之间可控。
在本发明中，所述冷喷涂沉积的工艺参数包括：喷涂气体氮气；加速气体压力优选为1.5～3.5MPa，更优选为2.0～3.0MPa；送粉气压力优选为2～4MPa，更优选为2.5～3.5MPa；送粉率优选为5～80g/min，更优选为15～50g/min；喷涂温度优选为100～500℃，更优选为200～450℃；喷涂距离优选为5～30mm，更优选为10～25mm；喷枪移动速度优选为5～50mm/s，更优选为5～30mm/s。
在本发明中，所述纳米晶铝基复合涂层中，铝或铝合金基体的晶粒具有纳米尺寸特征，硬质颗粒在铝或铝合金基体上呈均匀弥散分布状态，避免了纳米晶铝基复合涂层中硬质颗粒不均匀分布而影响其耐磨损性能。在本发明中，所述纳米晶铝基复合涂层的孔隙率优选<1％，无需进行后续致密处理或封孔处理，可直接进行后续的低温保温处理。
本发明采用冷喷涂沉积工艺的低温、“移植”特性，将纳米晶铝基复合粉末沉积于镁纳米晶化层表面，实现了在镁合金基体的镁纳米晶化层表面制备无氧化、致密纳米晶铝基复合涂层；而且，镁合金基体表面的镁纳米晶化层和纳米晶铝基复合涂层的“双纳米化”结构，能够显著降低涂层与镁合金基体间的扩散温度，进而提高镁合金与其表面的铝基复合涂层的结合强度，以及铝基复合涂层的抗腐蚀性能和耐磨性能。
得到镁合金表面纳米晶铝基复合涂层后，本发明将所述镁合金表面米晶铝基复合涂层进行低温保温处理，得到镁合金表面铝基复合涂层；所述铝基复合涂层与镁合金基体间形成连续镁铝金属间化合物冶金扩散层；所述低温保温处理的温度为180～380℃。
在本发明中，所述低温保温处理的温度进一步优选为190～370℃，更优选为200～350℃，最优选为200～300℃；所述低温保温处理的时间优选为2～12h，更优选为4～10h，最优选为5～8h。在本发明中，所述低温保温处理优选在无氧环境下进行，更优选在真空或保护性气氛中进行；所述真空的压力优选为102～104Pa，更优选为103～104Pa。；所述保护性气氛优选为氮气或氩气。
本发明通过对镁合金表面纳米晶铝基复合涂层进行整体的低温保温处理，在铝基复合涂层与镁合金基体界面间形成连续铝镁金属间化合物扩散层，从而获得与镁合金基体间为冶金结合的高抗腐蚀、耐磨性能优异的镁合金表面铝基复合涂层，增加镁合金的有效寿命并扩大其应用领域。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备的镁合金表面铝基复合涂层。本发明提供的制备方法制备的镁合金表面铝基复合涂层中，由于纳米晶铝基复合涂层内部弥散分布大量微米级、亚微米级或纳米级的硬质颗粒增强相，因此，铝基复合涂层具有超高的硬度和优异的耐磨损性能。同时，该铝基复合涂层的组织致密且其与镁合金基体间形成了连续镁铝金属间化合物冶金扩散层，因此，该铝基复合涂层呈现高结合强度和优异抗腐蚀性能。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将铝粉(粒度为25～45μm)和SiC陶瓷粉末(粒度为500nm)，按照体积比7:3的配比在行星式球磨机中进行机械合金化球磨25h，得到纳米晶铝基复合粉末；其中，球料比为15:1，球磨机转速为250rpm，纳米晶铝基复合粉末的相结构为Al和SiC。
初始铝粉末和SiC粉末的形貌如图3(a)和3(b)所示；球磨后获得的纳米晶铝基复合粉末的表面形貌如图4所示。
纳米晶铝基复合粉末的断面结构如图5所示，其中，箭头指示的颗粒为球磨过程中嵌入到铝粉内部的SiC颗粒。从图4～5可知，球磨后的纳米晶铝基复合粉末的粒度为5～25μm，而且球磨过程中SiC颗粒嵌入到铝粉内部，无需分筛可直接用于后续冷喷涂沉积使用。
纳米晶铝基复合粉末的XRD图谱如图6所示。从图6可知，纳米晶铝基复合粉末的相结构为Al和SiC，没有其他氧化物相和杂质相，通过Al相XRD衍射峰宽化度进行计算可知，铝粉末的晶粒尺寸约为50nm，因此，采用机械合金化球磨制备出了SiC硬质颗粒弥散强化的纳米晶铝基复合粉末。
(2)将铸态AZ91D镁合金的表面依次进行粗磨、细磨、抛光处理和乙醇超声清洗后固定于工作台上，对其表面进行冷喷超音速微粒喷丸纳米化处理，在镁合金基体表面得到镁纳米晶化层；其中，喷丸为玻璃丸(直径为150μm)，喷涂气体压力为0.2MPa，喷丸距离为50mm，气体温度为室温，喷枪移动速度为50mm/s，喷丸时间为5min。
镁纳米晶化层的表面形貌如图7所示，经过测量其表面粗糙度为Ra 0.5。
镁纳米晶化层的断面结构如图8所示，由图8可知，最表层(I区)为纳米晶层，其晶粒细小，在光镜下已经无法分辨；随后为孪晶变形层(II区)，其内部存在大量变形孪晶；最里面的为未变形的基体(III区)，晶粒尺寸粗大；表明，处理后的镁合金表面形成了厚度约50μm的镁纳米晶化层。
镁纳米晶化层的TEM图如图9所示，从图9可知，镁纳米晶化层为纳米晶组织，晶粒尺寸在80～100nm之间，而远离表面的内部为原始粗晶(微米级)组织。
(3)将所述纳米晶铝基复合粉末冷喷涂沉积在所述镁纳米晶化层表面，得到镁合金表面纳米晶铝基复合涂层；其中，冷喷涂沉积的工艺参数为：喷涂气体为N2，加速气体压力为2MPa，送粉气压力为2.2MPa，喷涂温度为350℃，送粉率为50g/min，喷涂距离为20mm，喷枪移动速度为30mm/s。
在镁合金表面纳米晶铝基复合涂层的断面结构如图10所示，其中最底层为镁合金基体，中间层为纳米晶铝基复合涂层。从图10可知，纳米晶铝基复合涂层组织致密几乎无孔隙、厚度约250μm。
(4)在流动氩气保护的管式炉中，以10℃/s的速率升至320℃，低温保温处理5h，随炉冷却至室温，得到镁合金表面铝基复合涂层(简写为Al/SiC复合涂层)，其中，铝基复合涂层与镁合金基体界面间形成连续镁铝金属间化合物冶金扩散层。
连续铝镁金属间化合物扩散层断面结构如图11所示。由图11可知，处理后的铝基复合涂层组织致密(最上层)，涂层与镁合金基体界面出现了一层厚度约为20～30um的连续Mg17Al12金属间化合物扩散层(中间的条状区域)，最底层为镁合金基体，该扩散层组织致密，没有裂纹和气孔。
硬度测试：Al/SiC复合涂层硬度采用HXD-1000TMC型显微硬度计进行测量，载荷为300g，加载时间15s，每个试样选取10个试验点计算平均值。结果表明，Al/SiC复合涂层硬度为285±18HV0.3，远高于AZ91D镁合金基体的硬度(62HV0.3)。
滑动磨损实验，采用球块式摩擦副，上摩擦副是直径为6mm的GCr15钢球，下摩擦副是尺寸为30mm×30mm×5mm的块体，载荷为5N，往复移动速度1.5m/min，实验温度为室温。根据块体上的磨痕截面积及其磨痕长度来计算体积磨损量。实验结果表明，Al/SiC复合涂层的磨损性能比AZ91D块材提高约70％。
抗腐蚀性能实验：用动电位极化扫描的电化学方法评价Al/SiC复合涂层的抗腐蚀性能。室温下在3.5NaCl溶液中测试极化曲线，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，扫描速率为0.1mV/s。测试结果表明，Al/SiC复合涂层的自腐蚀电位为-1.15V，高于AZ91D镁合金基体的-1.8V，同时，Al/SiC复合涂层的自腐蚀电流密度为4.7×10-7A/cm2，比AZ91D镁合金基体的6.56×10-5A/cm2降低约2个数量级。
以上结果表明，本发明制备的镁合金表面铝基复合涂层具有优异的耐磨性能和抗腐蚀性能。
实施例2
(1)将铝粉(粒度为25～45μm)和Al2O3陶瓷粉末(粒度为30nm)，按照体积比2:3配比在行星式球磨机中机械合金化球磨15h，得到纳米晶铝基复合粉末；其中，球料比为25∶1，球磨机转速为300rpm，纳米晶铝基复合粉末的相结构为Al和Al2O3，无需分筛可直接作为后续冷喷涂用原料粉末。
(2)将铸态AZ91D镁合金的表面依次进行粗磨、细磨、抛光处理和乙醇溶液清洗后固定于工作台上，对其表面进行冷喷超音速微粒喷丸纳米化处理，在镁合金基体表面得到镁纳米晶化层；其中，喷丸为Mg17Al12金属间化合物颗粒(直径为65～85μm)，喷涂气体压力为1MPa，喷丸距离为80mm，气体温度为室温，喷枪移动速度为30mm/s，喷丸时间为10min，AZ91D镁表面纳米化层的最表层晶粒尺寸在80～120nm之间。
(3)将所述纳米晶铝基复合粉末冷喷涂沉积在所述镁纳米晶化层表面，得到镁合金表面纳米晶铝基复合涂层；其中，冷喷涂沉积的工艺参数为：喷涂气体为N2，加速气体压力为2.5MPa，送粉气压力为2.7MPa，喷涂温度为450℃，送粉率为100g/min，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为15mm/s；镁合金表面冷喷涂沉积层的厚度约200μm。
(4)在真空炉中，以15℃/s的速率升至280℃，低温保温处理5h，随炉冷却至室温，得到镁合金表面铝基复合涂层(简写为Al/Al2O3复合涂层)，其中，铝基复合涂层与镁合金基体界面间形成连续镁铝金属间化合物冶金扩散层。
Al/SiC纳米复合涂层和AZ91D镁合金基体表面纳米结构的高活性，提高了涂层中Al原子和基体表面Mg原子的互扩散能力，从而使得试样在远低于常规热扩散温度(400～430℃)的280℃低温保温处理后，涂层与基体界面就已形成连续扩散层。
硬度测试：涂层硬度采用HXD-1000TMC型显微硬度计进行测量，载荷为300g，加载时间15s，每个试样选取10个试验点计算平均值。结果表明，镁合金表面铝基复合涂层的硬度为380±38HV0.03，远高于AZ91D镁合金基体的硬度(62HV0.3)。
滑动磨损实验：采用球块式摩擦副，上摩擦副是直径为6mm的GCr15钢球，下摩擦副是尺寸为30mm×30mm×5mm的块体，载荷为5N，往复移动速度1.5m/min，实验温度为室温。根据块体上的磨痕截面积及其磨痕长度来计算器体积磨损量。结果表明，Al/Al2O3复合涂层具有很高耐磨损性能，其磨损性能与AZ91D镁合金基体相比提高120％。
抗腐蚀性能实验：用动电位极化扫描的电化学方法评价涂层的抗腐蚀性能。室温下在3.5NaCl溶液中测试极化曲线，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，扫描速率为0.1mV/s。电化学测试结果表明，Al/Al2O3复合涂层的自腐蚀电位为-1.05V，高于AZ91D镁合金基体的-1.8V，同时，Al/Al2O3复合涂层的自腐蚀电流密度为2.8×10-7A/cm2，比AZ91D镁合金基体的6.56×10-5A/cm2降低约2个数量级。
以上结果表明，本发明制备的镁合金表面铝基复合涂层具有优异的耐磨性能和抗腐蚀性能。
实施例3
(1)将铝粉(粒度为45～25μm)和WC陶瓷粉末(粒度为6um)，按照体积比2:3配比在行星式球磨机中机械合金化球磨25h，得到纳米晶铝基复合粉末；其中，球料比为20∶1，球磨机转速为350rpm，无需分筛可直接作为后续冷喷涂用原料粉末。
(2)将铸态AZ31B镁合金的表面依次进行粗磨、细磨、抛光处理和乙醇溶液清洗后固定于工作台上，对其表面进行冷喷超音速微粒喷丸纳米化处理，在镁合金基体表面得到镁纳米晶化层；其中，喷丸为氧化铝颗粒(直径为75～120μm)，喷涂气体压力为1.5MPa，喷丸距离为100mm，气体温度为室温，喷枪移动速度为50mm/s，喷丸时间为5min，AZ31B表面的镁纳米晶化层的最表层晶粒尺寸在120～250nm。
(3)将所述纳米晶铝基复合粉末冷喷涂沉积在所述镁纳米晶化层表面，得到镁合金表面纳米晶铝基复合涂层；其中，冷喷涂沉积的工艺参数为：喷涂气体为N2，加速气体压力为3.0MPa，送粉气压力为3.2MPa，喷涂温度为350℃，送粉率为50g/min，喷涂距离为15mm，喷枪移动速度为5mm/s；镁合金表面冷喷涂沉积层的厚度约300μm。
(4)在管式气氛炉中，以10℃/s的速率升至300℃，保温5h，随炉冷却至室温，得到镁合金表面铝基复合涂层(简写为Al/WC复合涂层)，其中，铝基复合涂层与镁合金基体界面间形成连续镁铝金属间化合物冶金扩散层。
硬度测试：Al/WC复合涂层的硬度采用HXD-1000TMC型显微硬度计进行测量，载荷为300g，加载时间15s，每个试样选取10个试验点计算平均值。结果表明，Al/WC复合涂层的硬度为425±50HV0.03。
滑动磨损实验：采用球块式摩擦副，上摩擦副是直径为6mm的GCr15钢球，下摩擦副是尺寸为30mm×30mm×5mm的块体，载荷为5N，往复移动速度1.5m/min，实验温度为室温。结果表明，涂层具有很高耐磨损性能，其磨损性能与基体相比提高约260％。
抗腐蚀性能实验：用动电位极化扫描的电化学方法评价Al/WC复合涂层的抗腐蚀性能。室温下在3.5NaCl溶液中测试极化曲线，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，扫描速率为0.mV/s。测试结果表明，Al/WC复合涂层的自腐蚀电位为-1.35V，高于AZ91D镁合金基体的-1.8V，同时，Al/WC复合涂层的自腐蚀电流密度为6.8×10-7A/cm2，比AZ31B镁合金基体的3.78×10-4A/cm2降低约2个数量级。
以上结果表明，本发明制备的镁合金表面铝基复合涂层具有优异的耐磨性能和抗腐蚀性能。
对比例1
(1)将铝粉(粒度为25～45μm)和SiC陶瓷粉末(粒度为500nm)，按照体积比7:3的配比在行星式球磨机中进行机械混合5h，得到铝基复合粉末(即Al/SiC复合粉末)；
(2)将铸态AZ91D镁合金的表面进行喷砂处理后固定于工作台上，然后在其表面冷喷涂沉积Al/SiC复合涂层；其中，冷喷涂沉积的工艺参数为：喷涂气体为N2，加速气体压力为2.5MPa，送粉气压力为2.7MPa，喷涂温度为450℃，送粉率为100g/min，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为15mm/s；镁合金表面冷喷涂沉积层的厚度约150μm；
(3)在真空炉中，以15℃/s的速率升至380℃后保温5h，随炉冷却至室温，得到镁合金表面铝基复合涂层(简写为Al/SiC复合涂层)。
镁合金表面铝基复合涂层的界面断面结构如图12所示，由图12可知，镁合金基体与铝基复合涂层界面间无扩散层出现。这一结果与实例1明显不同，这是由于铝基复合涂层和AZ91D基体表面均为微米结构，涂层中Al原子和基体表面Mg原子的扩散能力不足，难以在380℃的温度下相互扩散形成连续扩散层。
硬度测试：Al/SiC复合涂层硬度采用HXD-1000TMC型显微硬度计进行测量，载荷为300g，加载时间15s，每个试样选取10个试验点计算平均值。结果表明，Al/SiC复合涂层硬度为105±35HV0.3。
滑动磨损实验，采用球块式摩擦副，上摩擦副是直径为6mm的GCr15钢球，下摩擦副是尺寸为30mm×30mm×5mm的块体，载荷为5N，往复移动速度1.5m/min，实验温度为室温。根据块体上的磨痕截面积及其磨痕长度来计算器体积磨损量。实验结果表明，Al/SiC复合涂层的磨损性能比AZ91D块材提高约30％。
抗腐蚀性能实验：用动电位极化扫描的电化学方法评价Al/SiC复合涂层的抗腐蚀性能。室温下在3.5NaCl溶液中测试极化曲线，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，扫描速率为0.1mV/s。测试结果表明，Al/SiC复合涂层的自腐蚀电位为-1.56V，高于AZ91D镁合金基体的-1.8V，同时，Al/SiC复合涂层的自腐蚀电流密度为3.2×10-6A/cm2，比AZ91D镁合金基体的6.56×10-5A/cm2仅降低约1个数量级。这是由于本对比例制备的Al/SiC复合涂层内部的SiC颗粒与Al基界面结合较弱，存在较多孔隙。
对比例2
将铸态AZ91D镁合金的表面进行喷砂处理后固定于工作台上，然后以铝粉(粒度为25～45μm)为喷涂粉末，在其表面冷喷涂沉积纯铝涂层；其中，冷喷涂沉积的工艺参数为：喷涂气体为N2，加速气体压力为2.5MPa，送粉气压力为2.7MPa，喷涂温度为350℃，送粉率为100g/min，喷涂距离为30mm，喷枪移动速度为15mm/s；镁合金表面冷喷涂沉积层的厚度约250μm。
在真空炉中，以15℃/s的速率升至380℃，保温5h，随炉冷却至室温，得到镁合金表面纯铝涂层(简写为Al涂层)。
镁合金基体与纯铝涂层界面断面结构如图13所示，由图13可知，镁合金基体与纯铝涂层界面间无扩散层出现。这是由于纯铝涂层和AZ91D基体表面均为微米结构，涂层中Al原子和基体表面Mg原子的扩散能力不足，难以在380℃的温度下相互扩散形成连续扩散层。
按照实施例1的方法对硬度、滑动磨损和抗腐蚀性能进行测试。
硬度测试表明，Al涂层的硬度为43±5HV0.3，低于AZ91D基体的硬度(62HV0.3)；
滑动磨损实验结果表明，Al涂层的磨损性能要比AZ91D块材低约30％；
电化学腐蚀性能测试表明，Al涂层的自腐蚀电位为-1.35V，自腐蚀电流密度为3.8×10-6A/cm2，其抗腐蚀性能一般，这是由于该Al涂层内部孔隙较多，腐蚀液容易穿透Al涂层与镁合金基体发生电化学腐蚀反应，从而降低了涂层的抗腐蚀性能。
综上所述，本发明制备的镁合金表面铝基复合涂层硬度高、具有优异的耐磨性能和抗腐蚀性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种镁合金表面铝基复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用冷喷涂工艺对镁合金基体表面进行喷丸纳米化处理，在镁合金基体表面形成镁纳米晶化层；
(2)将纳米晶铝基复合粉末冷喷涂沉积在所述镁纳米晶化层的表面，得到镁合金表面纳米晶铝基复合涂层；
所述纳米晶铝基复合粉末包括铝或铝合金基体和硬质颗粒，所述铝或铝合金基体的晶粒具有纳米尺寸特征，所述硬质颗粒在铝或铝合金基体上呈均匀弥散分布状态；
(3)将所述镁合金表面纳米晶铝基复合涂层进行低温保温处理，得到镁合金表面铝基复合涂层；所述铝基复合涂层与镁合金基体间形成连续镁铝金属间化合物冶金扩散层；所述低温保温处理的温度为180～380℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述镁纳米晶化层的晶粒尺寸为50～200nm，厚度为25～100μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述冷喷涂喷丸纳米化处理的工艺参数包括：喷丸距离为50～80mm，喷丸尺寸为0.03～1mm，喷丸气体压力为0.1～1.5MPa，喷枪移动速度为10～80mm/s。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述纳米晶铝基复合粉末的粒度为3～80μm；所述硬质颗粒的粒度为30nm～25μm。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硬质颗粒包括陶瓷颗粒、金属陶瓷颗粒、金属间化合物颗粒和金属合金颗粒中的一种或几种；
所述铝基粉末包括铝粉和/或铝合金粉。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒包括Al2O3、TiC、SiC、ZrO和WC中的一种或几种；
所述金属陶瓷颗粒包括WC-Co和/或NiCr-Cr3C2；
所述金属间化合物颗粒包括Mg17Al12、FeAl和NiAl中的一种或几种；
所述金属合金颗粒包括不锈钢颗粒、铁基合金颗粒和镍基合金颗粒的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硬质颗粒的体积占纳米晶铝基复合粉末体积的15～75％。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述冷喷涂沉积的工艺参数包括：喷涂气体为N2气体，加速气体压力为1.5～3.5MPa，送粉气压力为2～4.0MPa，送粉率为5～80g/min，喷涂温度为100～500℃，喷涂距离为5～30mm，喷枪移动速度为5～50mm/s。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述低温保温处理的时间为2～12h；所述低温保温处理在无氧环境下进行。
10.权利要求1～9任一项所述的制备方法制备的镁合金表面铝基复合涂层。
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