论文部分内容阅读
镁合金在浇注成型之后可对其进行电弧喷涂处理以提升表面耐腐蚀性，然而涂层与基体结合强度不高、复杂形状难以喷涂等问题制约了该方法进一步的广泛应用。目前，固-液复合铸造工艺被广泛应用于异种金属之间的结合，逐渐成为研究的热点之一。本文融合了固-液双金属复合铸造和电弧喷涂两种工艺各自的优势，将AZ91D熔体浇注到表面通过电弧喷涂沉积了一层Al涂层或Al/Zn双涂层的金属型模具内，分别制备了不具有中间Zn层和具有中间Zn层的电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料，旨在提升Al涂层和镁合金基体之间结合强度。通过XRD、SEM、EDS、TEM、EBSD、显微硬度和剪切强度测试等表征手段，结合铸造模拟（AnyCasting）和热力学模拟（MATLAB）的计算结果，分别研究了界面粗糙度、浇注温度和中间金属层等因素对于电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料界面显微组织和结合强度的影响，分析和探讨了界面组织的形成过程和生长机制。主要结论如下：
①电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料的热力学模型结果显示，随着浇注温度的不断提高，Al-Mg二元熔体的吉布斯自由能、化学势都不断的降低。随着Al的摩尔分数的提高，Al和Mg元素的化学势也都逐渐降低，Al原子有富集的倾向，而Mg原子有向Al富集区域扩散的强烈趋势。综合考虑Al-Mg-Zn三元系统热力学模型结果，预测Zn在理论上能够通过其他化合物的形成起到抑制Al-Mg金属间化合物生成的作用。
②电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料扩散反应区可以分为三层，分别由（Al12Mg17+δ-Mg）共晶组织、Al12Mg17和Al3Mg2构成。相比于涂层经打磨的双金属组织，涂层未经打磨的电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料扩散反应区更大更深，包含了更多的Al12Mg17和Al3Mg2金属间化合物。由于Al、Mg和O三种元素的不均匀分布和不同比例的组合，（Al12Mg17+δ-Mg）共晶组织呈现出羽毛状、蜂窝状、放射状和树枝状四种不同的形态，硬度也在66HV到144HV之间变化。与涂层未经打磨的双金属组织相比，涂层经打磨的电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料有更高的耐蚀性和抗剪强度。剪切试验结果也表明，由于冶金结合和化学结合的存在，铸态AZ91D镁合金和电弧喷涂铝层之间的结合强度增大，这说明采用固-液复合铸造（SLCC）技术可以改善铸态AZ91D和电弧喷涂Al涂层之间的结合。
③采用固-液复合铸造（SLCC）技术，在浇注温度不低于963K时，在电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料中可以获得一个明显的扩散反应区。而当浇注温度为933K时，在AZ91D镁合金和电弧喷涂铝层之间形成了一个由铝、氧化铝和MgAl2O4组成的混合区。当浇注温度从963K增加到1023K时，主要由Al-Mg金属间化合物构成的扩散反应区面积逐渐增加，且扩散反应区中的γ-Al12Mg17金属间化合物有朝向AZ91D基体生长的趋势。Al/AZ91D双金属扩散反应区内组织的显微硬度大于AZ91D基体和电弧喷涂Al涂层。浇注温度为993K时，电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料的扩散反应区中最小，且扩散反应区没有未发生转化的Al颗粒和线状的MgAl2O4化合物，此时试样的剪切强度最高，约为24.60MPa。此外，更高的浇注温度导致扩散反应区向两边的扩展进一步增加了脆性断裂发生的可能性，因此过度的升高浇注温度，并不能提高铸态AZ91D镁合金与电弧喷涂Al涂层之间的结合强度。
④在适当的电弧喷涂Zn时间和Al/Zn双涂层预热处理时间下，电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料的扩散反应区的组织构成可以分为两类：一种由（α-Mg+Al5Mg11Zn4）和（α-Al+Mg32(Al,Zn)49）两层组织构成，另一种由（α-Mg+Al5Mg11Zn4）、（MgZn2（大量）+β-Zn）和（β-Zn（大量）+MgZn2）三层组织构成。Zn涂层过厚、Al/Zn双涂层预热处理时间过长和过短，界面处都可能会有裂纹产生。扩散反应区中存在最多的（α-Mg+Al5Mg11Zn4）组织，其平均硬度值为188HV。而MgZn2金属间化合物区域的平均硬度值达到了327HV。相对于AZ91D基体和电弧喷涂Al涂层，扩散反应区的硬度值维持在较高的水平，而在靠近涂层的一层，Zn固溶体的增多会降低扩散反应区的硬度值。以Zn作中间金属层的电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料的断裂大多数发生于（α-Mg+Al5Mg11Zn4）组织处，并且呈现出少量塑性断裂的特征。在电弧喷涂Zn时间为30s，Al/Zn双涂层预热处理时间为6h时，组织中Zn固溶体作为第二相弥散分布在MgZn2金属间化合物的结构将电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料的剪切强度提高到了31.73MPa。
①电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料的热力学模型结果显示，随着浇注温度的不断提高，Al-Mg二元熔体的吉布斯自由能、化学势都不断的降低。随着Al的摩尔分数的提高，Al和Mg元素的化学势也都逐渐降低，Al原子有富集的倾向，而Mg原子有向Al富集区域扩散的强烈趋势。综合考虑Al-Mg-Zn三元系统热力学模型结果，预测Zn在理论上能够通过其他化合物的形成起到抑制Al-Mg金属间化合物生成的作用。
②电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料扩散反应区可以分为三层，分别由（Al12Mg17+δ-Mg）共晶组织、Al12Mg17和Al3Mg2构成。相比于涂层经打磨的双金属组织，涂层未经打磨的电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料扩散反应区更大更深，包含了更多的Al12Mg17和Al3Mg2金属间化合物。由于Al、Mg和O三种元素的不均匀分布和不同比例的组合，（Al12Mg17+δ-Mg）共晶组织呈现出羽毛状、蜂窝状、放射状和树枝状四种不同的形态，硬度也在66HV到144HV之间变化。与涂层未经打磨的双金属组织相比，涂层经打磨的电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料有更高的耐蚀性和抗剪强度。剪切试验结果也表明，由于冶金结合和化学结合的存在，铸态AZ91D镁合金和电弧喷涂铝层之间的结合强度增大，这说明采用固-液复合铸造（SLCC）技术可以改善铸态AZ91D和电弧喷涂Al涂层之间的结合。
③采用固-液复合铸造（SLCC）技术，在浇注温度不低于963K时，在电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料中可以获得一个明显的扩散反应区。而当浇注温度为933K时，在AZ91D镁合金和电弧喷涂铝层之间形成了一个由铝、氧化铝和MgAl2O4组成的混合区。当浇注温度从963K增加到1023K时，主要由Al-Mg金属间化合物构成的扩散反应区面积逐渐增加，且扩散反应区中的γ-Al12Mg17金属间化合物有朝向AZ91D基体生长的趋势。Al/AZ91D双金属扩散反应区内组织的显微硬度大于AZ91D基体和电弧喷涂Al涂层。浇注温度为993K时，电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料的扩散反应区中最小，且扩散反应区没有未发生转化的Al颗粒和线状的MgAl2O4化合物，此时试样的剪切强度最高，约为24.60MPa。此外，更高的浇注温度导致扩散反应区向两边的扩展进一步增加了脆性断裂发生的可能性，因此过度的升高浇注温度，并不能提高铸态AZ91D镁合金与电弧喷涂Al涂层之间的结合强度。
④在适当的电弧喷涂Zn时间和Al/Zn双涂层预热处理时间下，电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料的扩散反应区的组织构成可以分为两类：一种由（α-Mg+Al5Mg11Zn4）和（α-Al+Mg32(Al,Zn)49）两层组织构成，另一种由（α-Mg+Al5Mg11Zn4）、（MgZn2（大量）+β-Zn）和（β-Zn（大量）+MgZn2）三层组织构成。Zn涂层过厚、Al/Zn双涂层预热处理时间过长和过短，界面处都可能会有裂纹产生。扩散反应区中存在最多的（α-Mg+Al5Mg11Zn4）组织，其平均硬度值为188HV。而MgZn2金属间化合物区域的平均硬度值达到了327HV。相对于AZ91D基体和电弧喷涂Al涂层，扩散反应区的硬度值维持在较高的水平，而在靠近涂层的一层，Zn固溶体的增多会降低扩散反应区的硬度值。以Zn作中间金属层的电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料的断裂大多数发生于（α-Mg+Al5Mg11Zn4）组织处，并且呈现出少量塑性断裂的特征。在电弧喷涂Zn时间为30s，Al/Zn双涂层预热处理时间为6h时，组织中Zn固溶体作为第二相弥散分布在MgZn2金属间化合物的结构将电弧喷涂Al/AZ91D双金属材料的剪切强度提高到了31.73MPa。