超音速喷涂Ni涂层增强复合铸造A356/AZ91D双金属力学性能

镁合金由于密度低、高比强/刚度、减噪和减震性能好以及静电屏蔽性好等优点而具有巨大的潜力。然而，现有的镁合金存在绝对强度低和耐腐蚀性能差等缺点，限制了其广泛的应用。铝/镁双金属综合了铝和镁的优点，能够广泛应用于汽车、航空航天和武器装备等领域，以满足越来越高的综合性能需求。然而，由于铝/镁双金属的连接界面主要由Al-Mg金属间化合物组成，这些脆硬的金属间化合物急剧削弱了双金属的连接强度，从而限制了其应用和发展。因此，如何减少或消除这些有害的Al-Mg金属间化合物是铝/镁双金属领域的研究难点和热点。目前，通过在铝和镁的连接界面处引入其他涂层或夹层是一种常用和有效的方法，如Zn、Sn 、Al、 Mg-Al共晶合金、SiC、Al2O3、 Ni 、 Cu 、 CuNi、 Fe、 Ti 、Ag、 Ce、Zr等。其中，Ni涂层或夹层由于其低廉的成本和成熟的工艺常被用于焊接领域，但是在复合铸造领域的研究较少。超音速火焰喷涂(HVOF)是指将超音速熔融粒子射向被镀部件，其制备的涂层强度高、密度大、孔隙率低、氧化夹杂少，十分适合在固态铝合金表面制备高质量Ni涂层。然而，目前关于超音速喷涂Ni涂层及其厚度对铝/镁双金属的影响还未见报道。

最近，华中科技大学樊自田教授和蒋文明副教授课题组首次通过铝合金表面超音速喷涂Ni涂层的方式来改善消失模复合铸造A356/AZ91D双金属的性能。研究结果表明，当Ni涂层的厚度为45 μm时，Ni涂层和Al-Mg金属间化合物几乎全部消失，双金属界面层主要由Mg-Mg2Ni共晶组织和Ni2Mg3Al颗粒组成，其硬度显著低于Al-Mg金属间化合物。双金属的最高剪切强度达到了61.1 MPa，相比于不含Ni涂层的双金属剪切强度提高了41.4%，其强度得到了显著改善，为铝/镁双金属更广泛的应用起到了积极的推动作用。

本文系统研究了铝嵌体表面不同厚度超音速喷涂Ni涂层对铝/镁双金属显微组织的影响，结果如图1所示。可以发现，界面层厚度随着Ni涂层厚度的增加先增加后减小。元素线扫描结果表明，当无Ni涂层和Ni涂层厚度为10 μm时，双金属界面层主要由Al-Mg金属间化合物组成，而当Ni镀层厚度为45 μm和190 μm时，其界面层主要由Ni、Mg-Ni和Al-Ni金属间化合物组成。根据高倍的SEM图像、EDS结果和TEM结果（如图2所示），当Ni涂层为10 μm时，双金属的界面层仍然以Al-Mg金属间化合物为主，并含有少量Al-Al3Ni共晶组织；当Ni涂层厚度增加到45 μm时，界面层处的 Ni涂层和Al-Mg金属间化合物几乎全部消失，界面层主要由Mg-Mg2Ni共晶组织和Ni2Mg3Al颗粒组成；当Ni涂层厚度增加到190 μm时，双金属的界面层由AZ91D侧到A356侧依次由Mg-Mg2Ni共晶组织+ Ni2Mg3Al颗粒、Mg2Ni层、Ni固溶体层、Al3Ni2层、Al3Ni层和Al3Ni+Al-Al3Ni共晶组织层组成。

图1 不同Ni涂层厚度的铝/镁双金属SEM图像和线扫描结果：（a） 无Ni涂层；（b）10 μm；（c） 45 μm；（d）190 μm

图2 不同厚度Ni涂层的双金属界面层高倍SEM图像及TEM结果：（a）10 μm；（b）45 μm；（c）190 μm；（d）TEM结果

本文继续研究了不同厚度Ni涂层对双金属力学性能的影响，结果如图3所示。剪切测试结果表明随着Ni涂层厚度的增加双金属的剪切强度先增加后减小，当Ni涂层厚度为45 μm时，剪切强度最高，为61.1 MPa，比不含Ni涂层的双金属的剪切强度提高了41.4%。断口横截面结果表明当Ni涂层厚度为0和10 μm 时，双金属断裂发生在Al3Mg2+Mg2Si层和Al12Mg17+Mg2Si层交界处。当Ni涂层厚度为45 μm时，双金属在Ni2Mg3Al+Mg-Mg2Ni层处断裂，而当Ni涂层厚度为190 μm时，断裂主要发生在AZ91D基体和Mg2Ni层之间。硬度测试结果显示当Ni涂层厚度为10 μm时，界面区显微硬度与未涂Ni涂层时几乎没有变化，而当Ni涂层厚度增加到45 μm和190 μm，界面层显微硬度显著降低。

图3 不同厚度Ni涂层的铝/镁双金属的机械性能：（a）剪切强度；（b-e）断口横截面；（f）维氏硬度

本文还探究了不同厚度Ni涂层的铝/镁双金属界面形成机理，如图4所示。当Ni涂层较薄时（10 μm），Ni层涂层在液流的冲刷以及元素扩散的作用下完全分解，不能起到阻碍液态镁合金与固态铝合金的接触的作用，因此界面层仍然以Al-Mg金属间化合物为主。当Ni涂层厚度为45 μm时，由于Ni的熔点远高于浇注温度，因此界面层的形成过程中以元素扩散为主，并且纯Ni涂层几乎完全消失，说明在该工艺条件下，45 μm的Ni镀层恰好被消耗殆尽，界面层主要由Al-Ni和Mg-Ni金属间化合物组成，成功地抑制了Al-Mg金属间化合物的生成。因为元素扩散到一定距离就会停止，当Ni涂层厚度过厚 (190 μm)，元素扩散无法消耗掉整个Ni涂层，因此，Ni涂层仍有部分保留在界面处。

图 4 不同厚度 Ni 涂层的铝 / 镁双金属界面形成机理

综上所述，本研究通过铝嵌体表面超音速喷涂 Ni 涂层可以有效抑制 Al-Mg 金属间化合物的形成并生成低硬度的 Al-Ni 和 Mg-Ni 金属间化合物，从而改善了双金属的性能，使其在 Ni 涂层厚度为 45 μm 时剪切强度相比于无 Ni 涂层的双金属提高了 41% ，这为铝 / 镁双金属在汽车、航空航天和武器装备等领域更广泛的应用奠定了基础。