LY12CZ(2024)鋁合金屬于Al2Cu2Mg 系列熱處理強化鋁合金, 由于其具有低密度、高的比強度和比剛度、加工性能好和可熱處理強化等優(yōu)點,在航空航天領域有著良好的應用前景。然而2024 鋁合金存在質(zhì)軟、摩擦系數(shù)高、磨損大、膨脹系數(shù)大、易出現(xiàn)沿晶型的局部腐蝕等問題, 常規(guī)方法很難在其上面制備高硬度, 結(jié)合牢固的硬質(zhì)陶瓷膜。因此,研究鋁合金的摩擦磨損性能和抗腐蝕性能具有重要意義,關(guān)鍵在于提高結(jié)合力。鋁合金表面處理技術(shù)有多種,如陽極氧化、電鍍、化學鍍和微弧氧化、激光熔覆和離子注入等工藝。目前已有關(guān)于改善2024鋁合金表面性能的報道, 但大多都集中在離子注入及熱處理方面, 以及西北工業(yè)大學周慧采用噴丸處理和特殊的表面清洗工藝在LY12 鋁合金上制備TIN,但是這些都不能從根本上解決薄的氧化鋁陶瓷膜和大的熱膨脹系數(shù)差異問題,影響膜基結(jié)合力,難以滿足航空航天工程的高要求。

      由于鋁合金是一種比較活潑的金屬, 表面極易生成一層薄的硬而脆氧化膜, 在電位很負(- 1.67V), 還原、置換能力強, 再者鋁的膨脹系數(shù)與許多金屬鍍層相差很大, 是難鍍基材之一。因此鋁合金電鍍比普通電鍍困難, 一般都采用二次浸鋅作預處理, 該方法簡單, 結(jié)合力好。化學鍍鎳具有良好的耐蝕性、厚度均勻且致密等優(yōu)點, 被成功應用于鋁合金汽車輪轂上, 提高鋁、鎂合金的腐蝕性能, 卻很少有進一步的離子鍍硬質(zhì)陶瓷膜。

       近年來, 多元多層膜和功能梯度膜層的研究十分活躍, 尤其在高速鋼和不銹鋼等硬質(zhì)材料上采用脈沖偏壓電弧弧離子鍍技術(shù)[10~12]。兵器工業(yè)第502 研究所的高曉軍曾在鋁材上非電解鍍鎳,時效硬化后涂覆TiN, 獲得了較好的性能, 中科院蘭州化物所王立平采用電鍍法制備了功能梯度Ni- P 合金鍍層,但是關(guān)于在鋁合金表面上沉積CrNx 多層膜卻很少報道。CrN 薄膜具有良好的力學性能和抗腐蝕性能. 電弧離子鍍CrN 與相比, 它的內(nèi)應力低、韌性好、耐磨性好;同時它具有精細晶粒結(jié)構(gòu)、結(jié)合力強、化學穩(wěn)定性高、700 ℃以下良好的熱穩(wěn)定性。在干摩擦和潤滑摩擦條件下, 鍍有CrN 薄膜的滑動摩擦副具有較好的耐磨性能, 在一些應用領域CrN 薄膜很有潛力替代TiN 和TiCN 薄膜。

       基于此, 本文采用二次浸鋅前處理方法和加鍍化學鍍鎳,電鍍銅中間層的特殊工藝來制備合適的梯度層, 再在過渡層上面沉積硬質(zhì)CrNx 多層膜,研究分析了其組織結(jié)構(gòu)、膜層形貌、顯微硬度和耐腐蝕性等性能特點,對輕合金表面涂覆超厚硬質(zhì)膜具有一定的研究意義。

實驗過程

實驗材料及樣品制備

        基體材料是LY12CZ(2024)鋁合金, 熱處理狀態(tài)為淬火加自然時效,淬火溫度為495～503℃ ,尺寸為φ20 mm×3 mm, 合金的成分為(wt%) 4.7%Cu, 1.4% Mg,0.86% Mn, 0.55% Fe, 0.51% Si,其余為Al。依次采用水砂紙磨至1200 #, 并用W0.5 的金剛石研磨膏機械拋光至鏡面, 在無水乙醇中超聲波清洗15 min,去凈表面的油污, 然后進行鋁合金前處理和加鍍過渡層工藝, 再在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲波清洗各10 min, 吹干后放入真空設備中,250℃真空退火一小時。

      采用自制的等離子體- 離子束源增強沉積設備, 考慮到鋁合金熔點低, 采用脈沖偏壓和低弧電流(70～75A)的多弧離子鍍技術(shù)沉積Cr/CrN 薄膜。鉻靶純度99.99%, 本底真空為2×10- 3 Pa, 在試樣沉積前, 通入高純氬氣(99.99%)至氣壓為8×10- 2Pa, 500 V 脈沖負偏壓對樣品表面進行氬離子轟擊5min, 以去除表面吸附的氣體和雜質(zhì), 同時提高鍍的表面活性; 隨后增加氣壓至0.3 Pa, 脈沖負偏壓降低至100~200 V, 預沉積3 min 的Cr 過渡層。采用Ar 、N2 混合氣體進行反應沉積CrNx 薄膜, 保持Ar 和N2 流量比保持為1 ∶1, 沉積時間均為90 min。

工藝流程

       除油→堿洗→酸洗→二次浸鋅→化學鍍鎳→電鍍銅→拋光→超聲波除臘→時效處理(250℃/1h)→電弧離子鍍Cr/CrN 多層膜。前處理時各步之間水洗要干凈, 先熱水后冷水,盡量避免在大氣中停留,電鍍時帶電入槽,并且用大電流密度沖擊。

性能測試

       采用島津XRD26000 X 射線衍射儀對膜層組織相結(jié)構(gòu)進行分析, 儀器參數(shù)為: CuKA(波長為1.54060 nm ) , 電壓為40.0 kV, 電流為30.0 mA ,掃描范圍為20 ～100° , 掃描步長為0. 02;JSM- 5600LV 掃描電子顯微鏡(SEM)對薄膜表面和截面形貌進行分析,并測試薄膜的厚度,EDX 測試薄膜的成分; DMH22LS 超微載荷顯微硬度儀測試硬度, 載荷10 g, 加載時間15 s, 每個試樣測量十次, 取其平均值; 采用M342- 2 型腐蝕測量系統(tǒng),三電極體系恒電位/ 電流來測量膜層的電化學性能,試樣的表面積為1 cm2,以60 mV/min 的速度掃描; 中科院蘭州化物所的WS- 92 儀測試結(jié)合力,實驗條件為: 劃痕長度10 mm, 壓頭水平滑動速度為10 mm/min , 垂直方向壓力加載速率為100 N/min , 每個試樣走兩次劃痕實驗, 以其平均值作為實驗結(jié)果。