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1、汽车发动机用 AZ91D 合金的表面改性设计与性能研究 宋飞 肖方明 南京信息职业技术学院 华南理工大学 摘 要： 对汽车发动机用 AZ91D 合金进行等离子喷涂和激光重熔改性处理, 采用扫描电子显微镜 (SEM) 、X 射线衍射分析 (XRD) 、显微硬度计、电化学工作站研究了 AZ91D 合金基材和涂层的显微形貌、物相组成、摩擦磨损和耐腐蚀性能。结果表明, 等离子喷涂涂层和激光重熔层的显微硬度相较于 AZ91D 合金基材有明显提高, 提高幅度约为 10 倍和 13 倍, 而过渡层的显微硬度介于基材和涂层之间;相同载荷下等离子涂层的摩擦系数要高于激光重熔层, AZ91D 合金基材的磨损机制主
2、要为粘着磨损和磨粒磨损, 等离子喷涂涂层和激光重熔层的磨损机制为轻微磨粒磨损;等离子喷涂涂层和激光重熔涂层的耐腐蚀性能都要远优于AZ91D 合金基材, 由于具有致密均匀的涂层结构, 激光重熔层具有最小的腐蚀倾向和腐蚀速率, 耐腐蚀性能最好。关键词： AZ91D 合金; 等离子喷涂; 激光重熔; 摩擦磨损; 耐腐蚀; 作者简介：宋飞 (1980-) , 男, 江苏睢宁人, 硕士, 主要研究方向为汽车设计等;电话:13915989751;E-mail:收稿日期：2017-02-02Study on Surface Modification Design and Properties of AZ91
3、D Alloy Used For Automobile EngineSONG Fei XIAO Fangming Nanjing College of Information Technology; South China University of Technology; Abstract： AZ91 D alloy used for automobile engine was treated by plasma spraying and laser remelting modification treatment. The microstructure, phase composition
4、, friction & wear and corrosion resistance of AZ91 D alloy substrate and coating were studied by scanning electron microscopy (SEM) , X ray diffraction (XRD) , microhardness tester and electrochemical workstation. The results show that compared with AZ91 D alloy substrate, the microhardness of plasm
5、a sprayed coating and laser remelted layer obviously improves, the amplitude is about 10 times and 13 times, and the microhardness of the transition layer is between the substrate and the coating. The friction coefficient of plasma coating under the same load is higher than that of laser remelting l
6、ayer. The wear mechanism of AZ91 D alloy substrate is adhesive wear and abrasive wear. The wear mechanism of plasma spraying coating and laser remelting layer is slight abrasion wear. The corrosion resistance of the plasma spraying coating and laser remelting layer is much better than that of AZ91 D
7、 alloy substrate, and the laser remelting layer has the smallest corrosion tendency and corrosion rate due to the dense and uniform coating structure, which shows the best corrosion resistance.Keyword： AZ91D alloy; plasma spraying; laser remelting; friction and wear; corrosion resistance; Received：
8、2017-02-02汽车上最重要的部分是发动机, 这主要是由于发动机是汽车动力的源头, 发动机出了问题, 汽车也就瘫痪了。AZ91D 合金由于比强度高、比刚度高、低密度和优良的阻尼减震性等而在汽车发动机等部件得到了快速应用, 但由于 AZ91D合金较差的耐磨性和耐腐蚀性能而在一定程度上限制了其应用范围, 较为可行的方法是采用表面改性设计来解决镁合金基体材料的腐蚀和磨损问题。其中, 具有沉积率高、工艺简单的等离子喷涂可在镁合金基材表面制备喷涂层, 但是所制备的涂层经常会出现内部缺陷较多以及涂层结合力较差等问题, 如何解决等离子喷涂涂层孔隙多、机械结合等问题而提高表面改性质量成为了科研工作者共同关
9、注的方向1。本文采用等离子喷涂结合激光重熔处理的方法对汽车发动机用 AZ91D 合金进行了复合表面改性处理, 研究结果可有望改善等离子喷涂涂层的内部组织和涂层质量, 并在汽车表面改性领域中得到应用。1 试验材料与方法试验基材为汽车发动机用 AZ91D 合金, 采用电感耦合等离子发射光谱法测得其主要元素化学成分如表 1 所示。采用线切割的方法将试验基材加工成 50mm50 mm3 mm 试样, 经过 601500 砂纸逐级打磨和机械抛光后用清水冲洗, 然后分别置于酒精和丙酮溶液中超声清洗 10min, 用吹风机吹干备用。表 1 试验合金的化学成分 (质量分数, %) Tab.1 Chemical
10、 composition of experimental alloy (wt%) 下载原表 对汽车发动机用 AZ91D 合金基材进行表面改性设计, 其中表面涂层包括打底层和工作层, 前者选材为 Ni/Al 粉末, 后者选材为 Ni/WC 粉末。打底层选材主要考虑的是在改性过程中, Ni/Al 粉末会生成 Ni-Al 金属间化合物并放出热量, 会提高涂层与基体的结合力;工作层选材主要考虑的是通过 WC 增强 Ni 基涂层的耐磨和耐腐蚀性能。本文采用等离子喷涂和激光重熔工艺对汽车发动机用AZ91D 合金进行表面改性处理, 等离子喷涂采用粒径为 1.3mm 的棕刚玉砂对基材进行喷砂处理, 然后采用美
11、国 PRAXAIR-TAFA 公司开发的 5500-2000 等离子喷涂系统进行表面喷涂, 喷涂工艺参数见表 2。激光重熔采用美国 Clark-MXR 公司 FPL-03 光纤激光器进行, 激光功率为 850 W, 扫描速度为 400 mm/min, 光斑直径为 3.5mm, 搭接率为 25%。表 2 等离子喷涂工艺参数 Tab.2 Parameters of plasma spraying process 下载原表 采用日本电子 JSM-6400 型钨灯丝扫描电镜对原始粉末和涂层形貌进行观察;物相分析采用帕纳科 Empyrean 锐影 X 射线衍射系统 (XRD) 进行, 扫描速度为3/mi
12、n;显微硬度采用 MH-5 型数显显微硬度计进行, 加载载荷为 50g, 保持载荷时间为 15s, 以宽度方向三点的平均值作为测试结果;在美国 FALEX6 型摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损性能测试, 试验温度为室温, 试验载荷为 20 N, 运行速度为 250r/min, 对磨试样为直径 4mm 的刚玉陶瓷球, 磨损时间为 25 min, 半径为 3 mm;电化学性能测试在美国普林斯顿 2273 电化学工作站中进行, 介质为 3.5%Na Cl 溶液, 标准三电极体系 (饱和甘汞为参比电极, 铂为辅助电极, 试样为工作电极) , 扫描速率为 1.5 m V/s。2 试验结果与讨论对原始 Ni/
13、WC 粉末和 Ni/Al 粉末进行扫描电镜显微形貌观察, 结果如图 1 所示。可看出, 原始 Ni/WC 粉末主要呈现出球状, 粒径主要分布在 100m 以下, 这种球状陶瓷颗粒可起到增强 Ni 基涂层强度和韧性的作用。此外, 还可以兼具陶瓷材料的耐磨和耐腐蚀性能。原始 Ni/Al 粉末的形状较为不规则, 块状或者颗粒状的粉末粒径也基本都在 100m 以下, 在等离子喷涂过程中, 这些 Ni/Al 粉末会发生反应生成 Ni-Al 金属间化合物并放出热量, 使得喷射粒子的温度升高, 这有助于喷射熔滴在接触基体时发生变形和铺展, 从而提高涂层与基体的结合力。图 1 两种原始粉末颗粒的 SEM 形貌
14、 Fig.1 SEM morphologies of two original powder particles 下载原图图 2 为等离子喷涂 AZ91D 合金的涂层表面和截面扫描电镜显微形貌。可看出, 经过等离子喷涂处理后, 表面涂层中大部分粒子已经发生了完全熔化和变形, 涂层孔隙率较低, 但是局部区域仍然可发现未熔的细小颗粒的存在。这可能是由于部分原始粉末颗粒在高温高速等离子喷涂过程中虽然加热到了熔融状态, 但是较低的飞行速度使得熔融状态的颗粒在接触前一层涂层时没有完全变形铺展, 而部分保留了未熔细小颗粒的形态。这些未熔细小颗粒的存在会增加涂层的孔隙率并在一定程度上影响涂层的整体性能2。从
15、等离子喷涂涂层截面形貌可见, 涂层呈现出典型的层状结构特征, 依次可观察到 AZ91D 合金基体、Ni/Al过渡层和 Ni/WC 工作层, 除此之外, 在工作层中还可发现部分未熔的 WC 颗粒和孔隙的存在。图 2 AZ91D 合金等离子喷涂涂层的 SEM 形貌 Fig.2 SEM morphologies of plasma sprayed coatings on AZ91D alloy 下载原图经过激光重熔处理后的涂层表面和截面形貌如图 3。可看出, 在对等离子喷涂涂层进行激光重熔处理后, 涂层表面较为光滑平整, 没有发现明显孔隙或者未熔颗粒的存在, 相较于等离子喷涂涂层表面质量有明显改善。
16、这主要是因为激光重熔处理可使涂层发生熔化与再结晶, 使得等离子喷涂涂层的组织和相结构发生变化, 涂层组织变得更加致密和均匀, 疏松多孔或者表面凸凹不平现象得到消除。从激光重熔涂层的截面形貌可见, 涂层与基材之间没有明显的界限, 二者实现了较好的冶金结合, 除此之外, 重熔涂层相较等离子涂层更加致密、均匀, 涂层中未熔颗粒明显减少, 孔隙率明显降低。图 3 AZ91D 合金激光重熔涂层的 SEM 形貌 Fig.3 SEM morphologies of laser remelted coatings on AZ91D alloy 下载原图图 4 为经过等离子喷涂和激光重熔处理后 AZ91D 合金表面涂层的 X 射线衍射分析结果。可看出, 对于等离子喷涂涂层而言, 主要物相为 -Ni、Fe Ni3、Ni 3B、WC、W 2C 和 Cr7B3, 这主要是因为在等离子喷涂过程中, 原始粉末中的 WC 颗粒在高温下会发生分解而形成 W2C 和 C, 除此之外, 新形成的 C
