多道次喷涂对AZ80镁合金基体组织状态的影响_蒋理帅祎.pdf

第 15 卷 第 4 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 25 收稿日期：20221206 Received：2022-12-06 基金项目：山西省自然科学基金（201901D111167）Fund：The Natural Science Foundation of Shanxi Province,China(201901D111167)作者简介：蒋理帅祎（1997），男，硕士生，主要研究方向为镁合金表面强化技术。Biography：JIANG Li-shuai-yi(1997-),Male,Postgraduate,Research focus:surface strengthening technology of magnesium alloy.通讯作者：方敏（1972），男，博士，副教授，主要研究方向为精密塑性成形技术。Corresponding author：FANG Min(1972-),Male,Doctor,Associate professor,Research focus:precision plastic forming technology.引文格式：蒋理帅祎,王凯生,方敏,等.多道次喷涂对 AZ80 镁合金基体组织状态的影响J.精密成形工程,2023,15(4):25-32.JIANG Li-shuai-yi,WANG Kai-sheng,FANG Min,et al.Effects of Multi Pass Spraying on Microstructure State of AZ80 Mag-nesium Alloy MatrixJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(4):25-32.多道次喷涂对 AZ80 镁合金基体组织状态的影响 蒋理帅祎，王凯生，方敏，张治民（中北大学 材料科学与工程学院，太原 030051）摘要：目的目的 为探究超音速火焰喷涂的高温高速射流对镁合金基体的影响，以形变后镁合金表面纯铜涂层的制备过程为研究对象，研究喷涂过程中镁合金基体的微观组织演化机理。方法方法 采用超音速火焰喷涂（HVAF）工艺在挤压态 AZ80 镁合金试样表面制备纯铜涂层，对不同喷涂道次下获得的试样进行微观组织观察与显微硬度测试，结合 EBSD 分析涂层结合面附近基体的晶粒尺寸分布、再结晶状态及织构取向等。结果结果 在高温高速射流作用下，涂层结合面附近的基体发生再结晶，平均晶粒尺寸由 50 m 细化至 15.2 m；随着喷涂道次的增加，相逐渐回溶，孪晶消失，基体硬度先降低至 70HV0.2 后恢复到 80HV0.2，织构强度逐渐减小至10.042。结论结论 多道次超音速火焰喷涂过程中，由于第二相回溶与再结晶的共同作用，镁合金基体硬度呈现出先降低再升高的趋势；再结晶晶粒以晶界弓出形核与亚晶转变共同形成，并在涂层压应力作用下选择性偏转与长大，逐渐吞并原始变形晶粒；与此同时，亚晶界逐渐转变为大角度晶界，晶粒被再次细化，最终导致涂层结合面处基体产生明显的择优取向。关键词：超音速火焰喷涂；AZ80；晶粒尺寸；织构状态；再结晶 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.04.003 中图分类号：TG178；TG146.22 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)04-0025-08 Effects of Multi Pass Spraying on Microstructure State of AZ80 Magnesium Alloy Matrix JIANG Li-shuai-yi,WANG Kai-sheng,FANG Min,ZHANG Zhi-min(School of Materials Science and Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)ABSTRACT:The work aims to take preparation process of pure copper coating on the deformed magnesium alloy surface as the research object to study the microstructure evolution mechanism of the magnesium alloy matrix during spraying to investi-gate the effects of high temperature and high speed jet of supersonic flame spraying on the magnesium alloy matrix.The pure copper coating was prepared on the surface of extruded AZ80 magnesium alloy samples by HVAF process.The samples ob-tained under different spraying passes were observed for microstructure and microhardness tests.The grain size distribution,re-crystallization state and texture orientation of matrix near the coating interface were analyzed with EBSD.The matrix near the coating interface was recrystallized under the action of high temperature and high speed jet,and the average grain size was re-26 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 fined from 50 m to 15.2 m;As the number of spraying passes increased,the phase gradually dissolved,the twins disap-peared,the hardness of the matrix first decreased to 70HV0.2 and then recovered to 80HV0.2,and the texture strength gradually decreased to 10.042.During multi pass supersonic flame spraying,the hardness of the magnesium alloy matrix decreases first and then increases due to the combined effect of secondary phase dissolution and recrystallization.Recrystallized grains are formed together by grain boundary bow out nucleation and sub crystal transformation,rotate and grow selectively under the ac-tion of compressive stress of coating,and gradually swallow the original deformed grains.At the same time,the low angle grain boundaries are gradually transformed into high angle grain boundaries,and the grains are refined again,resulting in an obvious preferred orientation of the matrix at the coating interface.KEY WORDS:supersonic flame spraying;AZ80;grain size;texture state;recrystallization 镁合金被誉为“21 世纪的绿色工程材料”，其具有低密度、高比强度、优良的电磁屏蔽性、环保无毒性等优点，已广泛应用于汽车、航空航天、兵器装备、3C、生物医疗、纺织机械等领域1-3。但是，由于 Mg的电化学电势低，镁合金往往表现出较差的耐腐蚀性能4-5；同时，由于镁合金具有硬度低、耐磨性较差等缺点6-7，大大限制了其应用场景。镁合金表面改性技术（如微弧氧化、电镀、激光熔覆、气相沉积及热喷涂等）是解决上述问题的有效方法8-11。目前，采用热喷涂技术制备 Al、Ni、Cu 等纯金属涂层和 Fe 基、Ni 基、Co 基、金属陶瓷等复合涂层的手段已实际应用在镁合金表面12-18。超音速火焰喷涂（High Velocity Air-Fuel，HVAF）作为热喷涂技术中重要的组成部分，利用高速高压的空气和丙烯、丙烷等燃气作为热源，可实现火焰温度低、喷涂粒子超音速，因此，大大减少了喷涂材料的氧化且使形成的涂层致密、结合强度高16。近年来，采用超音速火焰喷涂技术在镁合金表面制备保护涂层的研究越来越多。Morelli 等17在 AZ31 表面制备了 WCCoCr 涂层，获得的涂层硬度达到 1 200HV0.3，并且表现出良好的耐蚀性与耐磨性。Mathiyalagan 等18利用高速空气燃料（HVAF）喷涂了镍磷包覆立方氮化硼粉末，以获得高性能抗磨涂层。虽然利用超音速火焰喷涂制备的涂层性能优良，但是由于镁合金的熔点和热变形温度较低19，在众多的研究中，喷涂的高温火焰与超音速粒子对镁合金基体的影响均未被提及。喷涂过程中，火焰温度最高可达到 1 800，喷涂粒子速度大约为 7001 200 m/s16，且实际生产过程中往往喷涂多个道次，温度的影响与粒子的冲击作用是不可忽略的。为此，文中以挤压态 AZ80 镁合金为研究对象，利用超音速火焰喷涂（HVAF）在其表面多道次喷涂球形铜粉形成涂层，采用光学显微镜（Optical Mi-croscope，OM）与电子背散射衍射（Electron Back-Scattered Diffraction，EBSD）等手段分析 AZ80 镁合金在喷涂过程中的组织变化、织构演化和再结晶行为，揭示镁合金在动态温度变化与高速粒子冲击下的组织演化过程，为后续研究、实际生产等提供理论基础。1 实验 1.1 材料 实验中使用的基体材料为挤压态 AZ80 镁合金，尺寸为 20 mm30 mm，合金的化学成分如表 1 所示。喷涂材料使用的是 300 目的球形纯铜，其纯度为99.95%，图 1 为铜粉在扫描电子显微镜（SEM）下的微观形貌。图 1 铜粉微观形貌 Fig.1 Micromorphology of copper powder 表 1 AZ80 镁合金的化学成分 Tab.1 Chemical composition of AZ80 magnesium alloy Element AlZnMn Si CuCeMgMass fraction/%8.40.57 0.17 0.1 0.05 0.4Bal.1.2 方法 1.2.1 涂层制备 采用 Kermetico 公司（美国）提供的超音速火焰喷涂（HVAF）系统制备纯铜涂层，使用 AK07 喷枪、3 号燃烧室、5 L 喷嘴，喷涂距离为 18 cm，送粉电机转速固定为 5 r/min，喷枪移动速度为 35