AZ91镁合金冷喷涂锌涂层的工艺-结构-性能-性能一体化优化研究

《Journal of Magnesium and Alloys》：Integrated process-structure–property–performance optimization of cold-sprayed zinc coatings on AZ91 magnesium alloy

本文针对AZ91镁合金在汽车应用中腐蚀防护的挑战，研究人员系统开展了冷喷涂锌涂层的工艺-结构-性能-性能一体化优化研究。通过探索16种氮气温度与压力组合，确定了最优工艺窗口，获得了孔隙率<0.5%、磨损率降低一半、结合强度达35 MPa的高性能涂层。该研究为镁合金部件提供了高效、可选择性施涂的防护解决方案，对推动镁合金在汽车轻量化中的应用具有重要意义。

　　

镁合金被誉为"21世纪的绿色工程材料"，因其卓越的强度重量比在汽车工业中备受青睐，广泛应用于变速箱壳体和支架等部件。然而，镁的化学性质活泼，其固有的耐腐蚀性差成为制约其大规模应用的阿喀琉斯之踵。特别是在含有氯离子的环境中，镁合金表面天然形成的氧化膜薄而多孔，无法提供长期有效的保护。更棘手的是，当镁合金与汽车多材料结构中的其他材料（如镀锌钢）接触时，会产生严重的电偶腐蚀，加速镁合金的破坏。

传统的镁合金表面防护技术，如微弧氧化、阳极氧化等，虽然有效，但存在能耗高、涂层多孔、厚度控制困难等局限性。热浸镀锌等熔融处理技术则容易在界面形成厚而脆的镁锌金属间化合物，且无法实现局部区域的选择性涂覆。面对这些挑战，开发一种高效、精准、环保的新型表面改性技术迫在眉睫。

在此背景下，太平洋西北国家实验室的研究团队在《Journal of Magnesium and Alloys》上发表了一项创新性研究，他们采用冷喷涂技术，在AZ91镁合金上成功制备了高性能的纯锌涂层。冷喷涂是一种固态沉积工艺，涂层粉末通过拉瓦尔喷嘴以超音速喷射到基体上，通过颗粒碰撞和冲击产生的局部温升和压力实现冶金结合，形成致密的层状涂层。该技术的最大优势在于其工艺温度低于粉末熔点，能有效减少界面不良金属间化合物的形成，并允许对复杂几何形状进行选择性沉积。

为了攻克工艺优化难题，研究人员设计了一套严谨的技术路线。他们采用了高通量实验方法，系统探索了4种气体温度（150°C, 200°C, 300°C, 400°C）和4种气体压力（2 MPa, 3.5 MPa, 5 MPa, 6.5 MPa）组合而成的16种工艺参数。利用光学显微镜和扫描电镜进行微观结构表征，通过ImageJ软件量化涂层孔隙率。力学性能评估包括使用安东帕摩擦磨损试验机进行销-盘磨损测试，以及按照ASTM D4541标准进行附着力测试。电化学腐蚀行为通过宏观动电位极化和电化学阻抗谱进行分析，并设计了独特的氢收集实验来评估长期腐蚀性能。此外，团队还创新性地采用了平滑粒子流体动力学模型，从理论上模拟了单个锌颗粒的撞击过程，为实验结果提供了机理层面的解释。

冷喷涂沉积优化

研究结果显示，气体温度和压力对涂层质量有着决定性影响。低气体温度（150°C）和高气体压力（5 MPa）条件下获得的涂层质量较差，表现为厚度不均、结合不良和显著孔隙。随着载体气体温度的升高，涂层质量明显改善，在300°C至400°C的温度范围和3.5 MPa至5 MPa的压力范围内，涂层表现出最佳性能。特别是当气体温度为400°C时，涂层厚度随气体压力增加呈现先增后减的"倒U型"变化规律，在3.5-5 MPa区间达到峰值。最优工艺参数（3.5 MPa, 400°C）下获得的涂层孔隙率低于0.5%，经过10次喷涂后厚度超过1毫米，这一沉积效率远超文献中报道的水平（最高压力仅为3 MPa）。

界面微观结构表征

对优化涂层界面的精细表征揭示了其卓越性能的微观机理。背散射电子图像显示，涂层与基体界面存在约40±10微米的粗糙度，这种界面形貌有利于机械互锁。扫描电镜能谱分析表明，AZ91镁合金基体中的β-Mg₁₇Al₁₂相岛状组织在锌颗粒撞击下发生变形，呈现出半球形形貌。电子背散射衍射分析显示，靠近界面处的晶粒尺寸更加细化，且存在一定的应变分布。最令人惊喜的是，透射电镜分析发现界面处形成了约200纳米宽的金属间化合物层，其成分接近等原子比的镁和锌。同时，锌沿着AZ91基体的纳米晶界进行扩散，形成了一种根须状的网络结构，这种独特的界面结构为涂层提供了优异的结合强度。

涂层力学行为

力学性能测试结果证实了优化涂层的卓越性能。磨损测试表明，在300°C和400°C下喷涂的锌涂层（不考虑气体压力）的磨损率比未涂层AZ91降低了至少50%，甚至比商业锌板的耐磨性提高了一个数量级。这种显著的耐磨性提升归因于冷喷涂过程中的冲击诱导应变硬化效应。附着力测试结果显示，涂层的结合强度最高可达35 MPa。在最优工艺条件下，甚至观察到了基体破坏而非涂层脱落的现象，充分证明了界面结合的牢固性。

涂层腐蚀行为

腐蚀性能研究获得了令人鼓舞的结果。宏观腐蚀测试显示，优化后的锌涂层（3.5 MPa/400°C和6.5 MPa/400°C）表现出与锌板相似的电化学行为，其腐蚀电位比AZ91基体正移至少100 mV。电化学阻抗谱拟合参数R_f+R₀值显著高于低质量涂层，表明其具有更好的腐蚀阻力。动电位极化曲线显示，优化涂层在约-1.0 V_SCE处出现击穿电位，并伴随Zn(OH)₂保护膜的形成，而低质量涂层则表现出与AZ91基体相似的活性腐蚀行为。最具说服力的是氢收集实验：在338小时的暴露期间，优化锌涂层几乎不释放氢气，其性能远优于文献中报道的其他涂层技术保护的镁合金样品。

讨论与机理分析

SPH模拟为理解工艺参数与涂层质量的关系提供了深刻见解。模型预测的锌颗粒临界速度为582 m/s，与实验数据高度吻合。模拟显示，当初始速度低于临界值时，颗粒会发生回弹；当速度适当时，材料喷射形成稳定的冶金结合；而当速度过高时，颗粒会表现出流体动力学行为，穿透基体并导致材料侵蚀。这种机制完美解释了实验中观察到的"倒U型"沉积行为。温度场模拟表明，在最优撞击条件下，界面局部温度可达到锌的熔点附近，但由于高压环境，锌可能仍保持固态，这种特殊的物理状态有助于形成高质量的冶金结合。

研究结论明确指出，通过系统优化冷喷涂工艺参数，成功在AZ91镁合金上制备出了具有低孔隙率、高沉积速率、优异耐磨性和出色耐腐蚀性的锌涂层。这种涂层技术不仅解决了镁合金固有的腐蚀问题，还能通过选择性涂覆有效防止电偶腐蚀，为汽车轻量化提供了可靠的材料解决方案。该研究的创新之处在于首次建立了完整的冷喷涂锌涂层工艺-结构-性能-性能关系图谱，为产业化应用提供了理论依据和技术指导。随着汽车行业对轻量化需求的日益增长，这项技术有望在未来的汽车制造中发挥重要作用，推动镁合金在更广泛领域的应用。