镁合金表面非晶合金涂层的冷喷涂沉积制备机理基础研究

Poor surface corrosion and wear resistance have hindered the application of magnesium alloys. Compared with conventional coatings, amorphous coatings have superior corrosion and wear resistance, high fatigue strength and fracture toughness, providing excellent surface protection for magnesium alloys. In order to avoid the detrimental effect such as oxidation and crystallization during high temperature processes, this project proposes to deposit Al-based amorphous coatings on magnesium alloy by using a low temperature and solid state coating technique - Cold Spray and conduct a comprehensive study on the forming mechanism of coating deposition process. Combining gas-solid numerical model calculations and experimental observations, this project aims to reveal the effect of particle velocity and temperature on deposition characteristic and deformation behavior of amorphous particles. According to the investigation of surface deformation mechanism of magnesium alloy induced by high velocity impact of amorphous particles, and the investigation of co-deposition behavior of multi-particles and corresponding changes of microstructure, phase structure and compositions, the related bonding mechanism along the interface of particle-substrate and particle-particle will be elucidated. In addition, the effect of microstructure on corrosion and wear properties will be discussed. Finally, through establishing the correlation among particle velocity and temperature, deposition deformation and interfacial bonding, the forming mechanism of cold sprayed Al-based amorphous coatings on magnesium alloy will be proposed.

表面较差的耐腐蚀和耐磨损性能是发展镁合金应用亟待解决的重要问题之一。相比于传统的涂层，非晶合金涂层兼具优异的耐腐蚀和耐磨损性能,以及高的抗疲劳强度、断裂韧性，在镁合金表面防护领域具有巨大的应用潜力。针对高温制备过程中的氧化和晶化问题，本项目拟采用以低温固态沉积为特点的冷喷涂技术在镁合金表面制备铝基非晶涂层，系统研究涂层的沉积制备机理。通过采用气–固两相流模型理论计算和实验观察相结合的手段，揭示冷喷涂高速射流中颗粒的速度与温度对非晶合金的沉积特性和变形行为的影响规律。深入研究由铝基非晶颗粒高速撞击引起的镁合金表面变形层的形成机制、冷喷涂过程中的多颗粒共沉积行为以及界面上的原子排列、物相结构和成分变化，探讨颗粒–基体和涂层内部的颗粒–颗粒间的界面结合机理，研究涂层的微观组织结构对腐蚀和磨损性能的影响，建立颗粒速度与温度、非晶沉积变形及界面结合的相关性，提出冷喷涂非晶合金涂层的沉积制备机理。

镁合金作为最轻的金属工程结构材料，具有一系列优点。但长期以来困扰和制约镁合金应用和发展的主要问题之一是其较差的耐腐蚀和耐磨损性能。因此，在镁合金表面制备防护涂层来提高基体的耐腐蚀和耐磨损性能是最直接有效的方法之一。与传统涂层材料相比，由非晶态合金材料制备的涂层兼具高硬度、优越的耐腐蚀性能和断裂韧性等物理化学特性。热喷涂和激光熔覆技术制备非晶合金涂层难以避免高温条件导致的氧化和晶化现象。近年来，冷喷涂技术作为一种新型的涂层制备技术可以有效避免上述不利影响。因而，利用冷喷涂技术制备高性能非晶合金涂层材料具有重要的研究意义。.在利用深冷技术对非晶粉末处理之后，研究了对于不同基体利用冷喷涂制备的复合涂层的力学性能及摩擦磨损性能。结果表明，循环深冷处理可以显著增强非晶粉末的塑性变形能力，随着基体硬度的上升，基体及涂层的摩擦系数增大，磨损质量降低。在摩擦磨损过程中，非晶合金颗粒有效抑制了磨球对基体的切削作用，原始非晶涂层的摩擦系数减小，质量损失分别为镁合金、铝合金、碳钢基体的73.1%、74.4%、96.3%；深冷处理改善了非晶涂层的致密度，其摩擦系数曲线更加平稳，质量损失分别为原始非晶涂层的84.0%、87.9%、92.3%。.利用高压冷喷涂制备了单颗粒沉积以及非晶涂层，单颗粒沉积主要用于研究非晶颗粒的沉积机理。研究表明颗粒撞击过程由于温度升高导致非晶颗粒表面晶化，与基体之间存在金属键合，形成冶金结合。对非晶涂层进行了力学性能和摩擦磨损性能研究，研究表明，涂层整体保持为非晶态，但由于高温或高应变引起了部分晶化，涂层厚度约为520μm，孔隙率为3.4%，显微硬度在637.7HV到791.5HV波动。非晶涂层的结合强度为14.81MPa，拉伸断口为平整层状断口。镁合金基体的摩擦系数迅速增大随后减小，最终稳定在0.27。非晶涂层的摩擦系数在初始15min内存在较大的波动，最终稳定在0.37。非晶涂层磨损率仅为基体磨损率的0.123%，表明在镁合金基体上制备非晶涂层可显著提高材料的耐磨性能。