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 鋁合金存在質軟、摩擦系數高、磨損大、膨脹系數大、易出現沿晶型的局部腐蝕等問題, 常規方法很難在其上面制備高硬度, 結合牢固的硬質陶瓷膜。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,關鍵在于提高結合力。鋁合金表面處理技術有多種,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差異問題,影響膜基結合力,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, 結合力好。化學鍍鎳具有良好的耐蝕性、厚度均勻且致密等優點, 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材料上采用脈沖偏壓電弧弧離子鍍技術[10~12]。兵器工業第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, 它的內應力低、韌性好、耐磨性好;同時它具有精細晶粒結構、結合力強、化學穩定性高、700 ℃以下良好的熱穩定性。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CrNx 多層膜,研究分析了其組織結構、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, 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構進行分析, 儀器參數為: 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,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果。