汽车发动机用AZ91镁合金的表面等离子熔凝处理

 谭小锋1，2  郭朋彦2  石博强3

 （1．北京劳动保障职业学院；2．华北水利水电大学；3．北京科技大学）

摘要采用等离子熔凝工艺对汽车发动机用AZ91镁合金进行了表面改性处理，分析了熔凝电流对熔凝改性层显微组织、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明，等离子熔凝层的物相种类与AZ91镁合金基体一致，都为a-Mg和β-Mg17A112相；熔凝层中的β-Mg17Al12相含量都要比AZ91镁合金基体中多，且随着熔凝电流的增大，熔凝层中的β-Mg17 Al12相含量不断增加；电流为45、55和65 A时熔凝层的磨损质量损失都要比AZ91镁合金基体低，且随着电流的增大，熔凝层的磨损质量损失逐渐降低；经过等离子熔凝改性后的合金的耐腐蚀性能得到提高，耐腐蚀性能从高至低依次为：65 A熔凝层>55 A熔凝层>45 A熔凝层>A291镁合金基体，腐蚀形貌的观察结果与动电位极化曲线的观察结果一致。

 关键词  A291镁合金；等离子熔凝；组织；耐磨；耐腐蚀

 中图分类号  TG146. 22；TG178DOI:10. 15,980/j．tzzz. 2016. 05. 009

 镁合金已广泛应用于汽车，航空航天等领域，并在汽车发动机缸体中得到应用。然而，由于汽车发动机缸体部件的工作条件十分恶劣，导致AZ91镁合金的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能成为了制约其应用的关键，因此需要对其进行表面改性处理来提高其使用性能。本课题通过等离子束对汽车发动机用AZ91镁合金表面进行等离子熔凝改性处理，对比分析了不同改性熔覆层对材料组织、硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响，为高性能汽车用镁合金的开发与应用提供参考。

1  试验材料与测试方法

 AZ91镁合金的化学成分（质量分数，下同）：Al为8. 91%、Zn为0.79%、M n为0.11%、Si为0.012%、Fe为0. 003%、Cu为0.001%、Ni为0.000 4%，余量为Mg。在进行等离子表面改性处理前，需对AZ91镁合金进行切割、打磨、丙酮除油、蒸馏水和乙醇清洗、吹干等步骤。AZ91镁合金的表面等离子熔凝改性工艺：电流分别为45、55和65 A，等离子束扫描速度为2 mm/s，保护气体流量为0. 12m3／h，喷嘴和基体的距离为5mm。

 表面改性层及其磨损形貌和腐蚀形貌采用KYKY-2800B型扫描电镜进行观察，并用附带的能谱仪对改性层局部进行能谱分析；物相分析采用D8 AD-VANCE X射线衍射仪进行测量，扫描速度为1.5(。)／min；显微硬度测试采用HVS-1000型数显显微硬度计进行测量，加载载荷为1. 96 N，保载时间为10 s；耐磨性能测试在TRB多功能摩擦磨损试验机上进行，对磨材料为GCr15钢，用TC-FA1004型电子天平称量试样磨损前后的质量；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，参比电极采用饱和甘汞电极、辅助电极为铂电极。

2  试验结果与分析

 图1为AZ91镁合金基体的SEM形貌和XRD图谱。由图1a可见，AZ91镁合金主要由a-Mg固溶体、离异共晶β-Mg17Al12相和二次析出β相组成，这主要是由于当合金冷却到共晶温度时，将发生L→a-Mg+β-Mg17Al12的共晶转变，其中，a-Mg依附初生固溶体生长，而β-Mg17Al12相主要分布在晶界处。随着冷却过程的进一步进行，晶界处的过饱和a-Mg固溶体会由于成分过冷而析出二次β-Mg17Al12相。由图1b可知，合金组织主要含有密排六方a-Mg和体心立方β-Mg17Al12相。

 图2是电流为55 A时的AZ91镁合金表面熔凝层的横截面形貌和X射线衍射图谱。在熔凝层横截面形貌中AZ91镁合金基体、过渡区和熔凝区清晰可见。在激光熔凝过程中，AZ91镁合金表层在较短的时间内熔化，并在低温作用下凝固形成了枝晶状a-Mg和短杆状或粒状的β-Mg17Al12相。对比过渡区和熔凝区与基体的显微组织可见，经过熔凝处理后的AZ91改性层的组织得到了明显细化，在整个改性层中也没有明显气孔、夹杂或者裂纹等缺陷；从熔凝层物相分析结果可见，熔凝层的物相种类与AZ91镁合金基体一致，均为a-Mg和β-Mg17Al12相，但是XRD附带的JADE6.0分析软件测定的经过熔凝改性处理后的熔凝层中的a-Mg相的晶格常数有所增大，这可能是由于a-Mg固溶体中的Al元素是过饱和造成的。

 图3是电流为55 A时的AZ91镁合金表面的熔凝层和过渡层的显微组织。可以看出，经过等离子熔凝表面改性处理后，熔凝层表面可见短杆状或者颗粒状的β-Mg17Al12相分布在基体上，与图1相比，等离子熔凝改性后的a-Mg晶粒尺寸更小；对等离子熔覆过渡层的表面形貌进行观察（见图3b），可见较多的枝晶状组织，但是这种枝晶组织并没有表现出明显的择优取向。这可能是由于在等离子束搅拌作用下，熔池中的对流作用使得枝晶分枝被冲断，而不会出现平行于散热方向的枝晶生长。

 图4是A291镁合金基体和电流分别为45、55和65 A时的熔凝层表面的X射线衍射图谱以及a-Mg和β-Mg17Al12相的衍射强度的比值Iβ/la。可以看出，改变等离子熔凝电流并没有改变熔凝层中的物相构成。不同电流改性下的熔凝层仍然由a-Mg和β-Mg17Al12相组成，只是相含量发生了变化。AZ91镁合金基体和电流为45、55和65 A时的熔凝层中的两相衍射峰强度Iβ/I a比值分别为0. 067、0.071、0.076和0.084。由此可见，熔凝层中的β-Mg17Al12相含量都要比AZ91镁合金

基体中多，且随着熔凝电流的增大，熔凝层中的β-Mg17Al12相含量不断增加。这可能是由于随着电流增加，熔凝层中的Mg的挥发量会增加，同时Al含量相对增加，从而造成衍射峰强度Iβ/la比值增加。

 图5为不同熔凝电流改性下熔凝层的显微硬度分布曲线。可以看出，在不同的电流下，随着距熔凝层距离的增加，显微硬度呈现逐渐降低的趋势，但都大于AZ91镁合金基体。从图5还可以看出，随着熔凝电流的增加，熔凝层的厚度不断增加，当电流从45 A增加至65 A时，熔凝层的厚度约增加了1 mm。硬度逐渐降低的原因在于表层组织中冷却速度较快，组织相对熔凝层中部和底部更加细小，且晶粒尺寸更小；此外，还可以发现，3种熔凝电流下改性层的显微硬度最高值都出现在次表层，这可能是由于表层元素挥发更为严重以及枝晶部分粗化的缘故。

 图6是AZ91镁合金基体和电流分别为45、55和65 A时熔凝层的干摩擦磨损测试结果。可以看出，在相同摩擦磨损条件下，AZ91镁合金基体的磨损量为35.4 mg;当对AZ91镁合金基体进行等离子熔凝改性处理后，电流为45、55和65 A时的磨损量都要比AZ91镁合金低，且随着电流的增加，熔凝层的磨损量逐渐降低。这说明对AZ91镁合金进行表面等离子熔凝改性处理可以提高其耐磨损性能。究其原因，主要是由于等离子熔凝改性后的熔凝层中的β-Mg17Al12相含量更高，从而得到较高硬度的改性层。根据Archard磨损方程可知，硬度较高的改性层的耐磨性能相对更高。

 图7为AZ91镁合金基体及在电流为55 A时的熔凝层表面磨损形貌。可以看出，AZ91镁合金表面出现了连续且平行的犁沟，局部区域还出现了片状剥落的特征，见图7a箭头处，局部放大形貌中可见细小的磨屑分布在犁沟中。能谱分析表明，这些白色的颗粒状磨屑主要含有Mg、Al和O元素，结合文献可知，这些都是氧化磨损过程中形成的MgO和Al2O3化合物。整体而言，AZ91镁合金基体的磨损形式主要为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损；当对基材进行55 A的等离子熔凝改性处理后，磨损形貌中只有较浅的犁沟存在，没有发生片状剥落现象，局部犁沟放大形貌中未见颗粒状磨屑存在，此时的磨损形式主要为粘着磨损和氧化磨损。表面磨损形貌的对比分析结果表明，等离子熔凝层的耐磨性能明显要高于AZ91镁合金基体，这与磨损量测试结果一致。

图8为AZ91镁合金基体和电流为45、55和65 A时的熔凝层在3. 5%的Na Cl溶液中的动电位极化曲线。可以看出，AZ91镁合金基体的腐蚀电位为-1. 685 V;电流为45 A的熔凝层的腐蚀电位为一1. 639 V;电流为55 A的熔凝层的腐蚀电位为-1. 632V;电流为65 A的熔凝层的腐蚀电位为-1. 621 V。不同电流下的等离子熔凝层的腐蚀电位都相对AZ91镁合金发生了正向移动，同时腐蚀电流密度降低。根据腐蚀电位与耐腐蚀性能的对应关系可知，自腐蚀电位越

负其耐蚀性能越差。由此可见，经过等离子熔凝改性后合金的耐腐蚀性能得到提高，耐腐蚀性能从高至低依次为：65 A熔凝层>55 A熔凝层>45 A熔凝层>AZ91镁合金基体。

 图9为AZ91镁合金基体和电流为55A时的熔凝层经过电化学腐蚀后的表面形貌。可以看到，在AZ91镁合金表面腐蚀形貌中可以发现尺寸不等的腐蚀坑洞，这主要是由于a-Mg和β-Mg17Al12相发生了电偶腐蚀，而这些腐蚀优先在缺陷较多的晶界处发生。随着腐蚀反应的进行，点腐蚀逐渐发展成为腐蚀坑洞；55 A时的

熔凝层表面腐蚀程度相对AZ91镁合金要轻，这主要是由于等离子熔凝层中的β-Mg17Al12相和晶粒尺寸得到细化，发生电偶腐蚀的程度降低，整体熔凝层呈现均匀腐蚀特征，耐腐蚀性能得到明显改善。腐蚀形貌的观 察结果与动电位极化曲线的结果一致。

  3  结  论

 (1)熔凝层中的β-Mg17Al12相含量都要比AZ91基体高，且随着熔凝电流的增大，熔凝层的β-Mg17Al12相含量不断增加。

 (2)在不同的等离子熔凝电流下，随着距离熔凝层距离的增加，显微硬度呈现逐渐降低的趋势，但都大于AZ91镁合金基体。

 (3)电流为45、55和65 A时的磨损量都要比AZ91镁合金基体低，且随着电流的增加，熔凝层的磨损量逐渐降低；AZ91镁合金基体的磨损形式主要为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损，等离子熔凝改性层的磨损形式主要为粘着磨损和氧化磨损。

 (4)经过等离子熔凝改性后的合金的耐腐蚀性能得到提高，耐腐蚀性能从高至低依次为：65 A熔凝层>55 A熔凝层>45 A熔凝层>AZ91镁合金基体，腐蚀形貌的观察结果与动电位极化曲线的观察结果一致。