冷喷涂在镁合金表面处理与成形中的应用探究

冷喷涂在镁合金表面处理与成形中的应用探究

1马宝合   2汪锦萍

1 湖北航聚科技股份有限公司  湖北  孝感  432100

2 上海航天动力技术研究所   上海   201108

摘要：伴随着当前工业技术的稳定发展以及进步，全新材料的研究以及应用，往往会成为工作研究的核心要点，因为材料的质量以及性能，直接决定了工作开展的质量水平。镁合金是一种轻质高强的金属材料，镁合金在汽车、航空、航天以及电子领域等拥有广阔的应用前景，提升了这些领域工作开展水平。但是，因为镁合金本身也存在缺点，比如极为容易腐蚀，力学性能较低等，从而使得应用受到了直接的限制。为了能够切实解决这一问题，也就应当将冷喷涂技术应用到镁合金表面处理过程中，这是本文研究的重点。

关键词：镁合金；表面处理；成形；冷喷涂；科学研究

冷喷涂是最近几年发展形成的全新制备技术，它能够通过低温、高速的固态金属粒子碰撞，变形成为涂层沉积。冷喷涂的优势特点较多，例如投入成本不高、工作效率明显以及环保等，都是重要特点之一，同时在喷涂中，气流与粒子的温度相对较低，对喷涂材料的内在组织结构，以及基础热影响明显较小，如此对制作铜或者合金材料等较易产生氧化的土层，可以发挥优化效用，所以在镁合金表面处理以及成形中，能够产生积极效用，值得展开研究。

一、冷喷涂在镁合金表面处理以及成形应用研究的意义

镁合金是当前实际应用中最轻的结构材料，具有极高的比强度、比刚度以及比弹性模量，还具有良好的导热、导电性以及可加工性等优点，被广泛化的应用到航空航天、汽车制造以及电子工业等领域，所以是全新世纪下最具发展潜力以及前途的绿色工程材料。然而，镁合金的耐蚀性、耐磨性，以及耐高温性能不强，该类温度如果不得到解决，会阻碍镁合金的全面应用效果。

当下，为了能够真实提升镁合金的使用性能，展开合适的表面处理，将会是最为有效的方法，镁合金表面防护方法主要有等离子体微弧阳极氧化、电镀以及激光改性等。但是，等离子体微弧阳极氧化得到氧化膜较为薄，所以实际能够产生的防护效果较为有限，而且电镀以及化学镀工序也相对复杂，会对周围环境产生影响，气相沉积以及激光改性的投入成本相对较大。所以，考虑导经济以及效  率的因素，也就可以运用喷漆的方法，在镁合金表面喷涂盖上一层较密的保护膜。根据研究发现，可以在镁合金的表面展开热喷涂，比如在镁合金表面热喷涂铝等，然而传统上所运用的热喷涂方法，本身对镁合金表面会产生极大的损害，比如高  温氧化、蒸发、溶解以及其他常见问题，所以热喷涂不适合展开运用。新兴的冷喷涂技术有效的应对如上问题，在喷涂工作中喷涂粉末粒子，在非氧化气流中高速运行，涂层基体上不会存在氧化现象，极为适合在纳米，以及非金属材料中进行运用，可以获得较高硬度。总之，冷喷涂技术在镁合金表面处理以及成形中应用，可以使得镁合金的性能进一步得到优化，所以值得展开技术内容研究与分析。

二、关于冷喷涂技术的综合研究

（一）冷喷涂的原理研究

冷喷涂也被称作为冷空气动力学喷涂方法，在以往研究过程中，借助示踪粒子的研究可知，当粒子速度明显高出临界数值后，粒子将会对靶材表面产生作用，从以往的冲蚀转变为加速沉积，因为存在这一转变现象，也就根据实际情况提出了冷喷涂的概念，并且借助该项技术在不同类型基体上，有效沉积金属涂层，随着技术的发展，直到90年代才形成冷喷涂专业技术。该项技术在空气动力学原理帮助下，借助高压气体携带粉末颗粒，通过超音速双相流，在全方位稳固特点下，凭借较大塑性流动变形，在基体外表处形成涂层。喷枪主要利用拉瓦尔喷嘴原理展开设计。冷喷涂系统结构较为复杂，压缩气体能够分为两路，一路主要通过送粉器，作为载带气将粉末稳定引导进喷嘴，另一路主要通过加热器来使得气体膨胀，直接提升气流基本速度，之后两路气流会稳定流入到喷枪内部，在其中形成气固双相流。当双相流动中动能较高的颗粒对工件外表产生撞击后，会形成塑性变形现象，在工件表面产生沉积，进而形成涂层。之后在喷涂中，需要使得气体压力稳定控制在3.5MPa左右，温度也需要控制在373K中，外加控制喷涂距离在25mm，震哥哥工艺参数会达到标准，但实际操作需要根据粉末要求进行调节。

（二）冷喷涂工艺特点研究

该项技术与热喷涂技术显著不同，技术是以等离子弧、电弧等作为热源的喷涂技术，可以使得粉末颗粒以及线材得到加热，直接成为熔化的状态。温度较高时，会使得喷涂材料产生变化，化学反应以及辐射现象明显。冷喷涂以高压气体作为动力，可以在低温状态实现涂层沉积目标，然而通过对两种技术的差距展开分析可知，冷喷涂技术拥有以下方面的技术特点，接下来对这些特点展开分析。

冷喷涂技术的温度较低。金属类型的材料，在温度较低情况下展开喷涂，形成的氧化程度有限，对制作TI或者其他合金，可以在涂层中发挥积极作用。根据试验发现，冷喷涂涂层中的氧含量，与本铜涂层原始的粉末相同，可以避免材料产生熔化或蒸发等问题，因此具有避免挥发的优势特点。

对材料组织结构产生的影响不大，对基体热影响明显较小。首先，可以用来制作纳米级别的涂层以及块体材料，或者可以用来制作对温度有良好性能的非晶体材料涂层。其次，不会对基体材料的内在结构产生影响，因此材料选择时的广泛性特点明显，不同材料都可以在技术帮助下实现结合。

沉积率高，可以制备复合涂层。首先，产生的粉末可以进行回收运用，材料重复运用的效率明显较高，可以在压缩空气当中进行运用，作为喷漆气体，如此使得投入的成本数量大大降低。其次，比如AI-Pb合金，这是因为在常温状态下，不会发生相溶现象，所以运用常规技术不能获得均匀化的组织，但借用冷喷涂技术，则可以使得相与铅得到根本结合。

稳定形成涂层承受压应力。因为涂层能够很好地承受压力，所以能够展开厚涂层的制作。某些研究人员制备的铜、铅以及合金涂层厚度大约5mm，随着冷喷涂技术的科学应用，可以使得涂层厚度达到1.5mm.

涂层的基本孔隙率相对较低，结合力度较强。由于冷喷涂的颗粒，会以高速度展开撞击，进而在之后产生塑性变形，之后在粒子进一步冲击下，又会对之前涂层产生夯实作用，此时涂层不会由熔融状态冷却收缩，因此孔隙率明显较低。冷喷涂的结合力明显较强，例如在铝基体上，喷涂铜涂层，结合力经过研究，可以达到66MPa，400℃在回火之后，又能够直接达到195MPa，此外，钛表面的沉积涂层，与基体的抗剪强度可以达到413MPa。

（三）冷喷涂涂层的特点以及沉积特性

首先，对冷喷涂涂层的特点展开研究。涂层的结构与性质，与冷喷涂高速特点存在紧密联系，冷喷涂一般低于金属材料熔点数值，具有较强的功能特点。冷喷涂涂层可以避免，或者减少热喷涂中，由于高温熔化带来的气体变化问题，维持粒子原本的性质。从另一个角度来看，冷喷涂涂层在诱发残余应力方面力度不大，但是涂层的热传导性与电传导性最佳，在该基础之上，可以进一步提升冷加工结构的密度与硬度。

其次，冷喷涂涂层沉积特性分析。冷喷涂过程中，最为核心的内容是提升粒子沉积效率。对粒子沉积性产生影响的因素较多，大致包括压力、温度、气体等因素。当其他条件存在后，气体的种类与压力温度，会决定粒子运行的速度，粒子速度大小又取决于沉积特性，并且当粒子速度超出基础临界速度后，才会在碰撞后产生全方位沉积的现象，否则则会对基体形成冲蚀问题。在长时间研究中发现，冷喷涂技术应用形成的冲击波，会对气流产生阻碍，降低运行速度，不利于涂层的稳定形成。

在后续喷涂工作开展中，产生的粉末颗粒使得涂层沉积速率，以及结合强度获得确定，因此必定会对粉末颗粒速度形成的影响因素加强，进而对沉积与喷涂效果造成影响。在研究冷喷涂工艺技术时发现，产生影响的因素集中这些方面：其一，气体方面的压力。这是粉末颗粒能够达到临界速度的重要因素。其二，气体温度数据。一旦气体压力形成，借用加热器对气体进行预热，可以使得粉末颗粒速度全面提升，并且气体温度稳定升高，可以使得颗粒达到适宜温度，从而为基体撞击提供帮助，形成理想的流动变形。其三，颗粒的尺寸。由于气体的基本密度，与粘滞的数据较小，气体对粉末颗粒的作用力，必定会产生较大的限制，所以粉末颗粒需要控制在较小状态，然而颗粒如果过小，又必定会受到高速其六的影响，产生冲击波现象，借助试验发现，颗粒尺寸最佳的范围需要控制在5-50微米。其四，气体本身的种类。一般都会认为在同等温度以及压力作用下，不同种类气体形成速度也不同，存在的差别极为明显，通过试验发现，外界条件一致下He气产生的速度，显然比其他气体更加优良。其五，材料方面种类问题。因为材料本身不同，临界的速度也会不同，通常来讲熔点不高，且塑性优良的材料产生沉积现象几率较大，同时塑性不佳的材料，应当具有较高的粒子速度，才能更好的实现沉积目标。其六，喷涂的距离因素。超音速双相流是常见技术，当其离开喷枪嘴之后，会受到空气影响，整个速度、方向以及温度都会出现变化，该类变化会对喷涂效果好坏造成影响，因此在喷涂中，应当全面考虑诸多因素的影响，特别需要选择相对合适的参数。

三、冷喷涂涂层沉积机理研究进展研究

冷喷涂技术研究的重要内容是，涂层性能以及喷射参数，与材料性能的联系情况，该内容具有难点。冷喷涂技术的涂层可以形成机理研究，会为此类问题的解决，奠定重要前提基础。虽然热喷涂技术的涂层形成机制，在新时代下获得了进步，但是仍然难以解决颗粒与基本微观作用的问题，还需要持续对其展开分析研究，冷喷涂与热喷涂亮相技术的区别较为显著，产生该种情况的原因，是两种技术的原理明显不同。

该技术通常时依据高速运动的喷涂颗粒，撞击形成涂层结构，所以涂层在完整形成之后，主要表现出侵彻的结合方式。当喷涂材料快速撞击工件表面时，喷涂的材料，以及工件的表面，都必定会形成显著的塑性变形，使得两者强度不断增加。此外，由于喷涂材料速度较快，所喷涂的材料颗粒，将会快速侵彻到工件中，进而使得涂层与工件达到牢固的状态。

所以，对于冷喷涂的涂层形成机理，需要进一步的展开理论以及实验方面的研究，该问题的解决关键时对粉粒侵入基板过程研究，所以在该方面研究时，需要参考穿甲力学以及冲击动力学方面，针对撞击以及侵彻的原理，如此能够在初步构建冷喷涂涂层形成模型。

四、冷喷涂在镁合金表面处理与成形中的应用探究

（一）冷喷涂在镁合金表面防护中的应用

从目前情况观测来看，阳极氧化处理、微弧氧化处理等技术，在镁合金表面防护应用的频率较大，其中微弧氧化技术进一步得到发展，凭借工艺操作简单、效率高，以及污染程度小等特点，获得了重视，但整个工艺也存在问题，比如工艺的重现性能差、价格较高，这是其存在的不足之处。电镀以及化学镀是传统表面处理技术，其工艺技术在应用的时候，将会带来环境污染等问题。化学转化膜处理技术含有Cr6+粒子，钙离子具有毒性，对环境的污染性较大，并且后续废液在处理的时候，所需要消耗的成本也相对较大。另外，对镁合金表面展开冷喷涂，能够防止热喷涂过程中的镁合金氧化等问题，确保材料本有的优异性能始终处于良好状态。相关研究人员展开了在AK63镁合金基体材料上的冷喷涂试验工作，通过试验研究结果显示，冷喷涂涂层组织主要由等轴晶构成，因为喷涂时温度较低，外加粉末没有出现明显的熔化问题，所以快速凝固组织得到了全面保障，杜绝了AI元素的偏析问题。在相对适宜的冷喷涂工艺数据下，能够获得与基体结合牢固的涂层，镁合金表面的耐磨性数据也会得到提升。应用冷喷涂技术，在镁合金表面制备了具有快速凝集的粉末涂层，通过研究分析可知，在持续加热处理之后，外表涂层的紧密、均匀特点会加强，涂层当中的AI元素，与基体中的Mg元素，都会产生互相扩散的情况。当温度处于升高，以及时间持续延长的时候，基体同涂层的Mg/AI元素，扩散程度会得到全面提升，然而当温度达到300℃时，同时时间处于3h之后，整个扩散的程度将会变小。

（二）冷喷涂技术在镁合金形成中的应用

首先，冷喷涂制备镁基复合材料的应用。复合性镁基材料在新兴领域中应用最为频繁，技术的综合效果也直接比复合材料更理想，目前复合镁基材料的制作方法类型较多，大致包括搅拌铸造、挤压铸造、粉末冶金以及喷射沉积等类型。搅拌铸造法的优点在于成本较低，能够大量进行生产，缺点也相对明显，即在搅拌中非常容易发生气体混入的问题，导致增强体体积分数受到影响。但在挤压铸造时镁合金内部的增强体分数，可以达到40%-50%。压强始终时挤压铸造最为关键的因素之一，假如产生的压力强度较大，则会导致夹气以及镁氧化问题产生，势必会对增强体产生破坏，使得基础机械性能不断降低。如此，应当对所运用的设备提出更高要求，自然不能支持大量生产。对于粉末冶金方法来讲，其能够使得增强体得到强化，根据工作需要随时可以调整参数配比，使得内在分布更为协调，然而也存在一定的问题，即合金粉末制备的过程极为复杂，需要投入的成本数量较大。应用喷射沉积方法，复合材料中的颗粒分布较为均匀、无偏距，并不会产生无界面的情况，然而获得的复合镁基材料会形成空洞，因此不适合近终形零件生产。从根本来看，依据冷喷涂技术的优点，能够明确认识到该项技术，可以使得镁合金的性能不断优化，融合复合材料的性能价值，并且可以借助冷喷涂技术，来使得镁基复合材料近净成形目标实现。所以，冷喷涂技术的确能够解决当下金属基复合材料应用的重要问题，比如成本高以及加工技术大等问题。

其次，冷喷涂成形镁合金应用。根据研究发现，镁合金较为常用的成形工艺，存在多种类型，比如铸造、半固态铸造、触变注射成形等，都是主要类型之一。目前，铸件是镁合金结构件最常应用内容，细致分析来看大约九成以上属于压铸件。然而当镁合金在压铸的过程中，会发生组织疏松以及变形等情况，影响压铸的质量水平。镁合金在铸造的过程中性能具有流动性特点，在浇筑温度上较为敏感，之后进行充型处理工作，镁合金的液体将会发生凝固现象。半固态化铸造在成形时，将会获得最为细化的显微组织，从而形成净成形制品。但是由于镁合金锭料在持续加热时，氧化烧损的几率会加大，一般半固态成形工艺，也就不能在镁合金中得到全面运用。除此之外，喷射成形是最为快速实现凝固的技巧方法，可以科学的制备大块致密金属材料，成本投入量并不高，但进一步研究可知，整个技术应用过程最为复杂，应用中产生的数据量较大，存在疏松的问题，应当不断展开优化处理。冷喷涂技术的优点，可以在不同形态尺寸的坯锭中运用，在重要航空部件中运用的效果也最为理想，同时借助冷喷涂技术形成钛合金，这是其他技术不具有的优势之一。

结束语：

综上所述，根据具体内容分析可知，切实展开冷喷涂在镁合金表面处理与成形中的应用探究，对于镁合金材料性能的全面应用，将会产生极为重要的作用，因此需要对此予以高度重视。相信随着有关人员持续的研究以及应用，势必能够把握冷喷涂技术要点，提升镁合金表面处理以及成形的质量水平。

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