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超音速噴涂Ni涂層增強復合鍛造A356/AZ91D雙金屬力學機能
鎂合金因為密度低、高比強/剛度、減噪和減震機能好以及靜電屏蔽性好等長處而具有巨大的潛力。然而，現有的鎂合金存在絕對強度低和耐侵蝕機能差等缺點，限制了其廣泛的應用。鋁/鎂雙金屬綜合了鋁和鎂的長處，能夠廣泛應用于汽車、航空航天和武器裝備等領域，以知足越來越高的綜合機能需求。然而，因為鋁/鎂雙金屬的連接界面主要由Al-Mg金屬間化合物組成，這些脆硬的金屬間化合物急劇削弱了雙金屬的連接強度，從而限制了其應用和發展。因此，如何減少或消除這些有害的Al-Mg金屬間化合物是鋁/鎂雙金屬領域的研究難點和熱門。目前，通過在鋁和鎂的連接界面處引入其他涂層或夾層是一種常用和有效的方法，如Zn、Sn 、Al、 Mg-Al共晶合金、SiC、Al2O3、 Ni 、 Cu 、 CuNi、 Fe、 Ti 、Ag、 Ce、Zr等。其中，Ni涂層或夾層因為其低廉的本錢和成熟的工藝常被用于焊接領域，但是在復合鍛造領域的研究較少。超音速火焰噴涂(HVOF)是指將超音速熔融粒子射向被鍍部件，其制備的涂層強度高、密度大、孔隙率低、氧化夾雜少，十分適合在固態鋁合金表面制備高質量Ni涂層。然而，目前關于超音速噴涂Ni涂層及其厚度對鋁/鎂雙金屬的影響還未見報道。
最近，華中科技大學樊自田教授和蔣文明副教授課題組首次通過鋁合金表面超音速噴涂Ni涂層的方式來改善消失模復合鍛造A356/AZ91D雙金屬的機能。研究結果表明，當Ni涂層的厚度為45 μm時，Ni涂層和Al-Mg金屬間化合物幾乎全部消失，雙金屬界面層主要由Mg-Mg2Ni共晶組織和Ni2Mg3Al顆粒組成，其硬度明顯低于Al-Mg金屬間化合物。雙金屬的最高剪切強度達到了61.1 MPa，比擬于不含Ni涂層的雙金屬剪切強度進步了41.4%，其強度得到了明顯改善，為鋁/鎂雙金屬更廣泛的應用起到了積極的推動作用。
本文系統研究了鋁嵌體表面不同厚度超音速噴涂Ni涂層對鋁/鎂雙金屬顯微組織的影響，元素線掃描結果表明，當無Ni涂層和Ni涂層厚度為10 μm時，雙金屬界面層主要由Al-Mg金屬間化合物組成，而當Ni鍍層厚度為45 μm和190 μm時，其界面層主要由Ni、Mg-Ni和Al-Ni金屬間化合物組成。根據高倍的SEM圖像、EDS結果和TEM結果（如圖2所示），當Ni涂層為10 μm時，雙金屬的界面層仍舊以Al-Mg金屬間化合物為主，并含有少量Al-Al3Ni共晶組織；當Ni涂層厚度增加到45 μm時，界面層處的 Ni涂層和Al-Mg金屬間化合物幾乎全部消失，界面層主要由Mg-Mg2Ni共晶組織和Ni2Mg3Al顆粒組成；當Ni涂層厚度增加到190 μm時，雙金屬的界面層由AZ91D側到A356側依次由Mg-Mg2Ni共晶組織+ Ni2Mg3Al顆粒、Mg2Ni層、Ni固溶體層、Al3Ni2層、Al3Ni層和Al3Ni+Al-Al3Ni共晶組織層組成。
本文繼承研究了不同厚度Ni涂層對雙金屬力學機能的影響，結果如圖3所示。剪切測試結果表明跟著Ni涂層厚度的增加雙金屬的剪切強度先增加后減小，當Ni涂層厚度為45 μm時，剪切強度最高，為61.1 MPa，比不含Ni涂層的雙金屬的剪切強度進步了41.4%。斷口橫截面結果表明當Ni涂層厚度為0和10 μm 時，雙金屬斷裂發生在Al3Mg2+Mg2Si層和Al12Mg17+Mg2Si層接壤處。當Ni涂層厚度為45 μm時，雙金屬在Ni2Mg3Al+Mg-Mg2Ni層處斷裂，而當Ni涂層厚度為190 μm時，斷裂主要發生在AZ91D基體和Mg2Ni層之間。硬度測試結果顯示當Ni涂層厚度為10 μm時，界面區顯微硬度與未涂Ni涂層時幾乎沒有變化，而當Ni涂層厚度增加到45 μm和190 μm，界面層顯微硬度明顯降低。
本文還探究了不同厚度Ni涂層的鋁/鎂雙金屬界面形成機理，如圖4所示。當Ni涂層較薄時（10 μm），Ni層涂層在液流的沖洗以及元素擴散的作用下完全分解，不能起到阻礙液態鎂合金與固態鋁合金的接觸的作用，因此界面層仍舊以Al-Mg金屬間化合物為主。當Ni涂層厚度為45 μm時，因為Ni的熔點遠高于澆注溫度，因此界面層的形成過程中以元素擴散為主，并且純Ni涂層幾乎完全消失，說明在該工藝前提下，45 μm的Ni鍍層剛好被消耗殆盡，界面層主要由Al-Ni和Mg-Ni金屬間化合物組成，成功地按捺了Al-Mg金屬間化合物的天生。由于元素擴散到一定間隔就會休止，當Ni涂層厚渡過厚 (190 μm)，元素擴散無法消耗掉整個Ni涂層，因此，Ni涂層仍有部門留存在界面處。
綜上所述，本研究通過鋁嵌體表面超音速噴涂Ni涂層可以有效按捺Al-Mg金屬間化合物的形成并天生低硬度的Al-Ni和Mg-Ni金屬間化合物，從而改善了雙金屬的機能，使其在Ni涂層厚度為45 μm時剪切強度比擬于無Ni涂層的雙金屬進步了41%，這為鋁/鎂雙金屬在汽車、航空航天和武器裝備等領域更廣泛的應用奠定了基礎。