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 楊琳  花均南

（1．柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程系；2.桂林電子科技大學(xué)）

摘要  對(duì)A291鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行了表面等離子熔覆改性處理，對(duì)比分析了A291合金基材、TiB2 -Alz0。和3種不同比例的Al與TiB：-Al。0。復(fù)合改性層的顯微組織和物相組成，并對(duì)改性層的硬度、耐磨性和耐腐蝕性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨著距離改性層表面距離的增加，顯微硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，但改性層的顯微硬度都高于A291合金基體，而TiBz -AI。0。改性層的顯微硬度最高。隨著熔覆材料中Al含量的增加，改性層顯微硬度逐漸降低；隨著磨損時(shí)間延長(zhǎng)，基材與不同改性層的磨損質(zhì)量損失都逐漸增加。3種不同配比的Al與TiB2 -Al20。復(fù)合改性層中w(Al)2 w(TiB2-Al203)一1；2改性層的耐磨性能最好；經(jīng)過(guò)等離子熔覆復(fù)合改性處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的耐腐蝕性能有所提高，其中，w( Al)：w（TiB2 -Alz 03）-1：2時(shí)改性層的耐腐蝕性能最好。

關(guān)鍵詞  A291合金；表面改性；耐磨性；耐腐蝕

 鎂合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高、阻尼減震性能優(yōu)異、導(dǎo)熱性和抗輻射能力高、易于回收等特性而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域。A291鎂合金因具有高強(qiáng)度和剛度、變形小、能夠保證各運(yùn)動(dòng)零件位置正確等，成功應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等零部件。然而，由于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體要承受燃燒過(guò)程中壓力和溫度的急劇變化以及活塞運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈摩擦，因此，A291鎂合金的硬度、耐磨性和耐腐蝕性成為了制約其應(yīng)用的關(guān)鍵，需要對(duì)其進(jìn)行表面改性處理來(lái)提高使用性能，但這方面的報(bào)道很少。本課題通過(guò)預(yù)置不同改性粉末的方法對(duì)A291鎂合金汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行表面等離子熔覆改性處理，對(duì)比分析了不同改性熔覆層對(duì)材料硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能的影響。

1  試驗(yàn)材料與方法

 以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體用A291合金為等離子熔覆改性基體材料，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)得其主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：8.92%的Al、0.81%的Zn、0.10%的Mn、0.01%的Si、0.003%的Fe，余量為Mg。采用DGR-5型高能等離子表面處理設(shè)備對(duì)A291鎂合金基材進(jìn)行表面改性處理，熔覆材料包括純度為99. 0%的Al粉(粒度為80～140um)、純度為99. 0%的Ti0：粉(粒度約為45 pm)和純度為98. 0%的B2 03粉（粒度為80～140um），并按不同比例制備了Al與(TiBz -Al2 03)復(fù)合涂層，w(Al)：w（TiBz -Al2 03）分別為1：1、1:2、1:3。復(fù)合粉末預(yù)先在粉末混合機(jī)中充分混合，然后采用預(yù)置粉末的方法（水玻璃粘結(jié)劑）在基材表面進(jìn)行等離子熔覆處理以得到改性涂層。預(yù)置粉末厚度為1 mm，等離子熔覆工藝參數(shù)：電流為55 A，熔覆速度為1.5 mm/s，Ar氣流量為0.25 m3/。

 采用D8X射線衍射儀對(duì)基材和改性層進(jìn)行物相分析；改性涂層的顯微組織采用KYKY-2800型掃描電鏡進(jìn)行觀察；顯微硬度測(cè)試在HV-1000型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，加載載荷為0. 98 N，加載時(shí)間為10 s；在FA-LEX6#型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)不同改性層進(jìn)行常溫摩擦磨損試驗(yàn)，載荷為100 N，對(duì)磨材料為GCr15軸承鋼。試驗(yàn)過(guò)程中控制轉(zhuǎn)速為180 r/min，磨損時(shí)間控制在300～1 500 s，進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)前需要將基材和改性層試樣加工成相同尺寸，然后用丙酮清洗吹干，并用METTLER TOLEDO電子天平稱(chēng)量試樣磨損前后的質(zhì)量變化。電化學(xué)性能測(cè)試在Zahner電化學(xué)工作站中進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，工作電極為待測(cè)試樣（事先采用石蠟密封，留1 cr12面積）、參比電極采用飽和甘汞電極、輔助電極為Pt，在3.5%的NaCl溶液中測(cè)試極化曲線。

2  結(jié)果與分析

2.1  改性層物相與顯微組織

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體用A291鎂合金和不同改性涂層的X射線衍射圖譜。對(duì)于A291合金基材而言，主要含有a-Mg和Mg17 Al12相；當(dāng)采用等離子熔覆TiBz-Al。O。粉末后，改性層的物相主要含有a-Mg、TiB：和Al2 03相，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Mg17 Aliz相且a-Mg含量較低，可見(jiàn)在等離子熔覆改性過(guò)程中TIB2 -AI2 03粉末并未與基材發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)采用等離子熔覆Al與TiB2 -Al2 03復(fù)合粉末后，3種不同比例的改性層中的主要物相都為T(mén)iBz、Mg2 Al3、Mg、Al2 03和Mg17 All2相。隨著Al含量的增加，改性層中Mg2 Al3和Mgl7 Al12相的比例不斷增大，但改性層中未見(jiàn)Al衍射峰的存在，表明Al粉末在熔覆過(guò)程中與基材發(fā)生了反應(yīng)生成了金屬間化合物，此外，TIB2相在熔覆過(guò)程中并未發(fā)生分解。

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體A291鎂合金和不同改性涂層截面的掃描電鏡顯微組織。其組織由初生a-Mg固溶體、離異共晶盧相（Mg．，Al，z相）和二次析出p相組成，其中，離異共晶B相主要分布在晶界處。當(dāng)采用等離子熔覆技術(shù)在合金基材上熔覆TIB2 -Al2 03粉末后，改性層截面組織中可以看到熔覆層、結(jié)合層和A291鎂合金基材。其中在熔覆層組織中可見(jiàn)較多的顯微孔洞，這可能是由于在熔覆過(guò)程中凝固時(shí)間較短，TIB2 -Al2 03粉末之間由于潤(rùn)濕性較差而不能均勻滲透而形成微小孔洞的緣故；當(dāng)在改性層粉末中添加不同含量的Al粉末后，復(fù)合改性涂層中未見(jiàn)明顯氣孑L、裂紋或者孔洞存在，在w(AI)：w（TIB2 -Al2 03）=1:1、1：2和1:3改性層的底部結(jié)合區(qū)域都可以發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚狀組織的存在（可能為T(mén)iB。-Al。O。相）。改性層與基體結(jié)合區(qū)域以外以枝晶形式存在，這種枝晶生長(zhǎng)方式是由于受到熔池底部TiBz -Al：O。相的阻礙而只能在陶瓷相空隙中生長(zhǎng)的緣故。經(jīng)過(guò)等離子熔覆TIB2 -Al2 03、Al與(TIB2-Al。O。)復(fù)合改性后的基體與熔覆層實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合。

2.2硬度

  對(duì)4種不同成分改性層的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3，顯微硬度的測(cè)量包括A291鎂合金基體、結(jié)合區(qū)和熔覆層區(qū)�？梢钥闯觯�隨著距離改性層表面距離的增加，顯微硬度呈逐漸降低的趨勢(shì)，不同配比的復(fù)合改性層的顯微硬度都高于A291合金基體。在改性層顯微硬度中，TiB：-Al。O。改性層的顯微硬度最高。隨著熔覆材料中Al含量的增加，改性層顯微硬度逐漸降低。4種改性層的顯微硬度均高于A291鎂合金基材的原因在于熔覆層中存在硬度很高的TIB2 -Al2 03陶瓷相以及其他硬度相對(duì)較高的金屬間化合物，這些相的存在會(huì)在一定程度上大幅提高改性層的顯微硬度。隨著熔覆材料中Al含量的增加，改性層中金屬間化合物的數(shù)量逐漸增多，而陶瓷相的含量會(huì)相對(duì)較少。陶瓷相的顯微硬度要高于金屬間化合物，因此在整體硬度上則會(huì)表現(xiàn)為硬度降低。

2.3耐磨性

等離子熔覆不同成分改性層和A291鎂合金基材的磨損質(zhì)量損失隨著磨損時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖4�？梢钥闯�，隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，基體與不同成分改性層的磨損質(zhì)量損失都逐漸增大，但A291合金的磨損量隨著時(shí)間的增加幅度最快，而TiB：-Al。O。改性層的磨損量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)增大幅度最慢；隨著Al與TIB2 -Al2 03改性層中Al含量的增加，磨損質(zhì)量損失不斷增大。這主要是因?yàn)殡S著Al含量的增加，改性層的硬度不斷降低。相對(duì)于A291合金而言，TIB2 -Al2 03改性層中由于具有較多的陶瓷相而硬度最高，因而耐磨性最好。

圖5為經(jīng)過(guò)耐磨性能測(cè)試后的A291鎂合金改性層的摩擦磨損形貌。對(duì)于w( Al)：(TIB2 -Al2 03)一1:1改性層而言，由于熔覆材料中Al含量較高，在摩擦磨損試驗(yàn)中形成的氧化膜在載荷作用下會(huì)破碎形成磨屑塞積在磨損表面，因此在摩擦磨損形貌中主要呈現(xiàn)出局部剝落而犁溝現(xiàn)象并不明顯；對(duì)于w(AI)：(TIB2-Al203)=1：2改性層而言，熔覆材料中Al含量降低，改性層硬度有所上升，此時(shí)的摩擦磨損形貌主要以犁溝為主；w(A1)：（TiB：-Al：O。）=1:3改性層的摩擦磨損形貌中可見(jiàn)剝落和犁溝，局部區(qū)域還可以發(fā)現(xiàn)脆性斷裂的特征；TiB2 -AI2 03改性層的摩擦磨損形貌主要為一些較淺的犁溝和剝落，以及局部區(qū)域脆性斷裂為主。對(duì)比3種不同配比的Al與（TIB2 -Al2 03）復(fù)合改性層摩擦磨損形貌，w( Al)：（TiB2 -AI2 03）=1：2改性層的耐磨性能最好，這主要是由于這種配比的改性層中的陶瓷相的含量與分布最為理想，這種彌散分布的陶瓷相組織對(duì)提高改性層耐磨性能有益。

2.4耐腐蝕性

對(duì)A291鎂合金、TiB2 -Al2 03改性層和Al與TiB2 -AI2 03復(fù)合改性層進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，在3.5%的NaCl溶液中的極化曲線見(jiàn)圖6。

 從圖6可知，經(jīng)過(guò)等離子熔覆表面改性處理后的用A291合金的腐蝕電位都發(fā)生了正向移動(dòng)，且叫(Al)：w（TiB2-Al2 03）一1：2和w(Al):w(TIB2-Al203)一1:3改性層的腐蝕電流密度分別降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)，TIB2 -Al2 03改性層的腐蝕電流密度降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)評(píng)價(jià)活性溶解材料的耐蝕能力的標(biāo)準(zhǔn)，腐蝕電位越正且自腐蝕電流密度越小，則表示材料的耐蝕性能越好。因此，經(jīng)過(guò)叫(Al)：w（TIB2 -Al20。）=1：2涂層改性處理后的材料的耐腐蝕性能最好。這主要是因?yàn)閣(Al)：w（TiB2 -Al2 03）=1:2涂層相對(duì)于w(Al)：w(TIB2-Al203) =1：1和1：3涂層中的陶瓷相更加彌散分布，在一定程度上抑制了腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行；而相對(duì)于TiB2 -AI2 03改性層，涂層的致密性是影響耐腐蝕性能的關(guān)鍵。TiBz -Alz 03粉末之間潤(rùn)濕性較差而形成微小孔洞等缺陷使得耐腐蝕性能相對(duì)w( Al)：（TIB2 -Al2 03）=1:2改性層有所降低。

對(duì)經(jīng)過(guò)電化學(xué)腐蝕性能測(cè)試后的試樣的表面腐蝕形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)圖7。對(duì)于A291鎂合金，經(jīng)過(guò)電化學(xué)腐蝕后的試樣表面出現(xiàn)了較為明顯的腐蝕裂紋和腐蝕坑；TiB2 - Al2 03改性層和Al與TIB2 - Al2 03復(fù)合改性層主要為均勻腐蝕，其中w(Al)：w（TIB2 -Al2 03）一1:1涂層中有少量腐蝕微裂紋，w(Al)：w(TIB2 -Al2 03)=1：3涂層和TiB2 -AIz 03涂層中有少量腐蝕坑存在，相對(duì)而言，w(A1)：w（TIB2 -Al2 03）-1：2改性層的表面腐蝕程度最輕，并沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕裂紋和腐蝕坑。腐蝕形貌觀察結(jié)果與極化曲線測(cè)試結(jié)果保持一致，即經(jīng)過(guò)等離子熔覆TIB2 -AI2 03和Al與TIB2 -Al2 03復(fù)合改性處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的耐腐蝕性能有所提高，其中w(Al)：w(TIB2-Al20。)-1：2改性層的耐腐蝕性能最好。

3  結(jié)論

 (1) A291鎂合金中主要含有a-Mg和Mg17 Allz相；TIB2 -Al2 03改性層的物相主要含有Mg、TiB2和Al2 03相；3種不同成分配比的Al與（TIB2 -Al2 03）復(fù)合改性層中的主要物相都為T(mén)IB2、Mg2 Al。、Mg、Al2 03和Mglr All2相。

 (2) A291鎂合金等離子熔覆層中，隨著距離改性層表面距離的增加，顯微硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，不同成分的改性層的顯微硬度都高于A291鎂合金基體。在改性層顯微硬度中，TiB2 -Al2 03改性層的顯微硬度最高，隨著熔覆材料中Al含量的增加，復(fù)合改性層顯微硬度逐漸降低。

 (3)熔覆TiB2 -Al2 03、Al與TIB2 -Al2 03不同配比復(fù)合改性層摩擦磨損試驗(yàn)中，在w(Al)：w(TiBz -Al2 03)=1：2時(shí)，熔覆改性層的耐磨性能和耐腐蝕性能最好。