杨琳 花均南
（1．柳州职业技术学院汽车工程系；2.桂林电子科技大学）
摘要 对A291镁合金发动机缸体进行了表面等离子熔覆改性处理，对比分析了A291合金基材、TiB2 -Alz0。和3种不同比例的Al与TiB：-Al。0。复合改性层的显微组织和物相组成，并对改性层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能进行了研究。结果表明，随着距离改性层表面距离的增加，显微硬度呈现逐渐降低的趋势，但改性层的显微硬度都高于A291合金基体，而TiBz -AI。0。改性层的显微硬度最高。随着熔覆材料中Al含量的增加，改性层显微硬度逐渐降低；随着磨损时间延长，基材与不同改性层的磨损质量损失都逐渐增加。3种不同配比的Al与TiB2 -Al20。复合改性层中w(Al)2 w(TiB2-Al203)一1；2改性层的耐磨性能最好；经过等离子熔覆复合改性处理后的发动机缸体的耐腐蚀性能有所提高，其中，w( Al)：w（TiB2 -Alz 03）-1：2时改性层的耐腐蚀性能最好。
关键词 A291合金；表面改性；耐磨性；耐腐蚀
镁合金由于具有密度低、比强度高、阻尼减震性能优异、导热性和抗辐射能力高、易于回收等特性而被广泛应用于汽车、航空航天等领域。A291镁合金因具有高强度和刚度、变形小、能够保证各运动零件位置正确等，成功应用于汽车发动机缸体等零部件。然而，由于汽车发动机缸体要承受燃烧过程中压力和温度的急剧变化以及活塞运动的强烈摩擦，因此，A291镁合金的硬度、耐磨性和耐腐蚀性成为了制约其应用的关键，需要对其进行表面改性处理来提高使用性能，但这方面的报道很少。本课题通过预置不同改性粉末的方法对A291镁合金汽车发动机缸体进行表面等离子熔覆改性处理，对比分析了不同改性熔覆层对材料硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响。
1 试验材料与方法
以汽车发动机缸体用A291合金为等离子熔覆改性基体材料，采用电感耦合等离子发射光谱法测得其主要化学成分（质量分数）为：8.92%的Al、0.81%的Zn、0.10%的Mn、0.01%的Si、0.003%的Fe，余量为Mg。采用DGR-5型高能等离子表面处理设备对A291镁合金基材进行表面改性处理，熔覆材料包括纯度为99. 0%的Al粉(粒度为80～140um)、纯度为99. 0%的Ti0：粉(粒度约为45 pm)和纯度为98. 0%的B2 03粉（粒度为80～140um），并按不同比例制备了Al与(TiBz -Al2 03)复合涂层，w(Al)：w（TiBz -Al2 03）分别为1：1、1:2、1:3。复合粉末预先在粉末混合机中充分混合，然后采用预置粉末的方法（水玻璃粘结剂）在基材表面进行等离子熔覆处理以得到改性涂层。预置粉末厚度为1 mm，等离子熔覆工艺参数：电流为55 A，熔覆速度为1.5 mm/s，Ar气流量为0.25 m3/。
采用D8X射线衍射仪对基材和改性层进行物相分析；改性涂层的显微组织采用KYKY-2800型扫描电镜进行观察；显微硬度测试在HV-1000型显微硬度计上进行，加载载荷为0. 98 N，加载时间为10 s；在FA-LEX6#型多功能摩擦磨损试验机上对不同改性层进行常温摩擦磨损试验，载荷为100 N，对磨材料为GCr15轴承钢。试验过程中控制转速为180 r/min，磨损时间控制在300～1 500 s，进行摩擦磨损试验前需要将基材和改性层试样加工成相同尺寸，然后用丙酮清洗吹干，并用METTLER TOLEDO电子天平称量试样磨损前后的质量变化。电化学性能测试在Zahner电化学工作站中进行，标准三电极体系，工作电极为待测试样（事先采用石蜡密封，留1 cr12面积）、参比电极采用饱和甘汞电极、辅助电极为Pt，在3.5%的NaCl溶液中测试极化曲线。
2 结果与分析
2.1 改性层物相与显微组织
图1为发动机缸体用A291镁合金和不同改性涂层的X射线衍射图谱。对于A291合金基材而言，主要含有a-Mg和Mg17 Al12相；当采用等离子熔覆TiBz-Al。O。粉末后，改性层的物相主要含有a-Mg、TiB：和Al2 03相，并没有发现Mg17 Aliz相且a-Mg含量较低，可见在等离子熔覆改性过程中TIB2 -AI2 03粉末并未与基材发生反应；当采用等离子熔覆Al与TiB2 -Al2 03复合粉末后，3种不同比例的改性层中的主要物相都为TiBz、Mg2 Al3、Mg、Al2 03和Mg17 All2相。随着Al含量的增加，改性层中Mg2 Al3和Mgl7 Al12相的比例不断增大，但改性层中未见Al衍射峰的存在，表明Al粉末在熔覆过程中与基材发生了反应生成了金属间化合物，此外，TIB2相在熔覆过程中并未发生分解。
图2为发动机缸体A291镁合金和不同改性涂层截面的扫描电镜显微组织。其组织由初生a-Mg固溶体、离异共晶卢相（Mg．，Al，z相）和二次析出p相组成，其中，离异共晶B相主要分布在晶界处。当采用等离子熔覆技术在合金基材上熔覆TIB2 -Al2 03粉末后，改性层截面组织中可以看到熔覆层、结合层和A291镁合金基材。其中在熔覆层组织中可见较多的显微孔洞，这可能是由于在熔覆过程中凝固时间较短，TIB2 -Al2 03粉末之间由于润湿性较差而不能均匀渗透而形成微小孔洞的缘故；当在改性层粉末中添加不同含量的Al粉末后，复合改性涂层中未见明显气孑L、裂纹或者孔洞存在，在w(AI)：w（TIB2 -Al2 03）=1:1、1：2和1:3改性层的底部结合区域都可以发现团聚状组织的存在（可能为TiB。-Al。O。相）。改性层与基体结合区域以外以枝晶形式存在，这种枝晶生长方式是由于受到熔池底部TiBz -Al：O。相的阻碍而只能在陶瓷相空隙中生长的缘故。经过等离子熔覆TIB2 -Al2 03、Al与(TIB2-Al。O。)复合改性后的基体与熔覆层实现了冶金结合。
2.2硬度
对4种不同成分改性层的显微硬度进行测试，结果见图3，显微硬度的测量包括A291镁合金基体、结合区和熔覆层区。可以看出，随着距离改性层表面距离的增加，显微硬度呈逐渐降低的趋势，不同配比的复合改性层的显微硬度都高于A291合金基体。在改性层显微硬度中，TiB：-Al。O。改性层的显微硬度最高。随着熔覆材料中Al含量的增加，改性层显微硬度逐渐降低。4种改性层的显微硬度均高于A291镁合金基材的原因在于熔覆层中存在硬度很高的TIB2 -Al2 03陶瓷相以及其他硬度相对较高的金属间化合物，这些相的存在会在一定程度上大幅提高改性层的显微硬度。随着熔覆材料中Al含量的增加，改性层中金属间化合物的数量逐渐增多，而陶瓷相的含量会相对较少。陶瓷相的显微硬度要高于金属间化合物，因此在整体硬度上则会表现为硬度降低。
2.3耐磨性
等离子熔覆不同成分改性层和A291镁合金基材的磨损质量损失随着磨损时间的变化曲线见图4。可以看出，随着磨损时间的延长，基体与不同成分改性层的磨损质量损失都逐渐增大，但A291合金的磨损量随着时间的增加幅度最快，而TiB：-Al。O。改性层的磨损量随着时间的延长增大幅度最慢；随着Al与TIB2 -Al2 03改性层中Al含量的增加，磨损质量损失不断增大。这主要是因为随着Al含量的增加，改性层的硬度不断降低。相对于A291合金而言，TIB2 -Al2 03改性层中由于具有较多的陶瓷相而硬度最高，因而耐磨性最好。
图5为经过耐磨性能测试后的A291镁合金改性层的摩擦磨损形貌。对于w( Al)：(TIB2 -Al2 03)一1:1改性层而言，由于熔覆材料中Al含量较高，在摩擦磨损试验中形成的氧化膜在载荷作用下会破碎形成磨屑塞积在磨损表面，因此在摩擦磨损形貌中主要呈现出局部剥落而犁沟现象并不明显；对于w(AI)：(TIB2-Al203)=1：2改性层而言，熔覆材料中Al含量降低，改性层硬度有所上升，此时的摩擦磨损形貌主要以犁沟为主；w(A1)：（TiB：-Al：O。）=1:3改性层的摩擦磨损形貌中可见剥落和犁沟，局部区域还可以发现脆性断裂的特征；TiB2 -AI2 03改性层的摩擦磨损形貌主要为一些较浅的犁沟和剥落，以及局部区域脆性断裂为主。对比3种不同配比的Al与（TIB2 -Al2 03）复合改性层摩擦磨损形貌，w( Al)：（TiB2 -AI2 03）=1：2改性层的耐磨性能最好，这主要是由于这种配比的改性层中的陶瓷相的含量与分布最为理想，这种弥散分布的陶瓷相组织对提高改性层耐磨性能有益。
2.4耐腐蚀性
对A291镁合金、TiB2 -Al2 03改性层和Al与TiB2 -AI2 03复合改性层进行电化学性能测试，在3.5%的NaCl溶液中的极化曲线见图6。
从图6可知，经过等离子熔覆表面改性处理后的用A291合金的腐蚀电位都发生了正向移动，且叫(Al)：w（TiB2-Al2 03）一1：2和w(Al):w(TIB2-Al203)一1:3改性层的腐蚀电流密度分别降低了2个数量级，TIB2 -Al2 03改性层的腐蚀电流密度降低了3个数量级。根据评价活性溶解材料的耐蚀能力的标准，腐蚀电位越正且自腐蚀电流密度越小，则表示材料的耐蚀性能越好。因此，经过叫(Al)：w（TIB2 -Al20。）=1：2涂层改性处理后的材料的耐腐蚀性能最好。这主要是因为w(Al)：w（TiB2 -Al2 03）=1:2涂层相对于w(Al)：w(TIB2-Al203) =1：1和1：3涂层中的陶瓷相更加弥散分布，在一定程度上抑制了腐蚀反应的进行；而相对于TiB2 -AI2 03改性层，涂层的致密性是影响耐腐蚀性能的关键。TiBz -Alz 03粉末之间润湿性较差而形成微小孔洞等缺陷使得耐腐蚀性能相对w( Al)：（TIB2 -Al2 03）=1:2改性层有所降低。
对经过电化学腐蚀性能测试后的试样的表面腐蚀形貌进行观察，结果见图7。对于A291镁合金，经过电化学腐蚀后的试样表面出现了较为明显的腐蚀裂纹和腐蚀坑；TiB2 - Al2 03改性层和Al与TIB2 - Al2 03复合改性层主要为均匀腐蚀，其中w(Al)：w（TIB2 -Al2 03）一1:1涂层中有少量腐蚀微裂纹，w(Al)：w(TIB2 -Al2 03)=1：3涂层和TiB2 -AIz 03涂层中有少量腐蚀坑存在，相对而言，w(A1)：w（TIB2 -Al2 03）-1：2改性层的表面腐蚀程度最轻，并没有出现腐蚀裂纹和腐蚀坑。腐蚀形貌观察结果与极化曲线测试结果保持一致，即经过等离子熔覆TIB2 -AI2 03和Al与TIB2 -Al2 03复合改性处理后的发动机缸体的耐腐蚀性能有所提高，其中w(Al)：w(TIB2-Al20。)-1：2改性层的耐腐蚀性能最好。
3 结论
(1) A291镁合金中主要含有a-Mg和Mg17 Allz相；TIB2 -Al2 03改性层的物相主要含有Mg、TiB2和Al2 03相；3种不同成分配比的Al与（TIB2 -Al2 03）复合改性层中的主要物相都为TIB2、Mg2 Al。、Mg、Al2 03和Mglr All2相。
(2) A291镁合金等离子熔覆层中，随着距离改性层表面距离的增加，显微硬度呈现逐渐降低的趋势，不同成分的改性层的显微硬度都高于A291镁合金基体。在改性层显微硬度中，TiB2 -Al2 03改性层的显微硬度最高，随着熔覆材料中Al含量的增加，复合改性层显微硬度逐渐降低。
(3)熔覆TiB2 -Al2 03、Al与TIB2 -Al2 03不同配比复合改性层摩擦磨损试验中，在w(Al)：w(TiBz -Al2 03)=1：2时，熔覆改性层的耐磨性能和耐腐蚀性能最好。
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