Zn中间层对TRIP钢Zn-Mg镀层结合强度和耐蚀性的影响

韩国航空大学2018年在ISIJ International 发表的论文《Effect of a Zn Interlayer on the Adhesion Strength and Corrosion Resistance of Zn–Mg Coated TRIP Steel》。

使用电磁加热沉积工艺（EMHD）在高强钢上合成了Mg成分范围为5 wt.％至15 wt.％的Zn-Mg涂层，研究了厚度为1μm的Zn中间层对涂层的成形性和附着力的影响。与不带锌中间层的Zn-Mg涂层相比，具有Zn中间层的Zn-Mg涂层在微观结构、晶体结构和耐腐蚀性方面几乎没有差异。但是，锌中间层有助于显著改善Zn-Mg涂层的成形性和附着力。带有锌中间层的Zn-Mg涂层变形后的剥离面积大大减小，并且搭接剪切试验的结果表明，带有Zn中间层的Zn-Mg涂层的最大粘附强度大约是没有Zn中间层的最大粘附强度的两倍。 具有最大附着强度的Mg含量为15 wt.％的Zn / Zn-Mg涂层显示出最佳的耐腐蚀性，经测量，其略高于10 MPa，有待对具有更高Mg含量的Zn-Mg涂层进行研究，使其附着强度必须超过20 MPa。

Electro-magnetic heating deposition （EMHD） 的沉积速率为1μm/min，是传统溅射速率的15倍。中间锌层厚1μm，Zn-Mg层厚2μm。

1. 微观组织结构

Zn-5wt.％的Mg涂层呈现出多孔微结构，而Zn-10wt.％的Mg涂层显示出柱状结构。具有15 wt.％的高镁含量的Zn-Mg涂层显示出无特征的结构，该无特征的微结构被确定为非晶结构。

在Zn-5 wt.％Mg涂层的XRD结果中，可以清楚地观察到Zn相的峰，而由于Mg含量低，未检测到其他相，表明为（Zn）固溶体。在Zn-10wt.％Mg涂层中，观察到来自金属间相如Mg2Zn11和MgZn2的峰。然而，Zn-15wt.％的Mg涂层的XRD图谱表明涂层的晶体结构从晶体变为非晶。先前已经有文献报道了高镁含量的锌镁镀层中无定形相的形成。在Mg含量为0-15wt％的镁锌双元系统中，各种金属间相（如Mg2Zn11和MgZn2）会成为平衡相。。但是，在PVD工艺中，Mg在（Zn）中的固溶度以非常高的冷却速率（约1012 K/s）得以扩展。Dai 等人还报道了当Mg含量超过15 wt.％时，由于Mg和Zn原子之间原子尺寸的差异，（Zn）的晶体结构能够转变为非晶态。如图3（b）所示，在所有带有Zn夹层的Zn-Mg涂层中，出现Zn峰的强度，这是由于结晶Zn夹层的影响。在使用Zn / Zn-10 wt.％的Mg涂层的情况下，存在与Zn-10 wt.％Mg涂层相同的Zn-Mg合金金属间峰，例如Mg2Zn11（210），（222），（321）， （410），（411）和MgZn2（112），（104）。在Zn / Zn-15wt.％的Mg涂层中，由于Zn-15wt.％的Mg涂层的非晶态结构，仅观察到来自Zn中间层的峰。除了由于Zn中间层而出现的Zn峰，插入Zn中间层不会带来其他明显差异。

2. 耐蚀性

Zn-5wt.％的Mg涂层的腐蚀电流密度为6.96μA/ cm 2，并且随着涂层的Mg含量增加至15wt.％，腐蚀电流密度降低至1.49μA/ cm 2。Zn-5％Mg涂层的腐蚀电位为-1.33VSCE，随着Mg含量的增加，腐蚀电位也增加至-0.76VSCE。镁含量增加的锌镁涂层变得更加稳定，腐蚀速率降低。这些结果证实了先前报道的结果，即随着涂层中Mg含量的增加，Zn–Mg涂层的耐蚀性增加，这可能归因于涂层的微观结构从多孔结构转变为致密无特征的无定形结构。Zn-Mg涂层中耐蚀性随Mg含量的增加可以用致密的微观结构和金属间相来解释，如图2和3所示。据报道，与纯Zn固溶体相相比，单一金属间相Mg2Zn11和MgZn2改善了腐蚀性能，并且与Zn-5 wt％Mg相比，在Zn-10 wt％Mg涂层中的这些相改善了耐蚀性。由于涂层的微观结构是一个决定涂层腐蚀防护能力的参数，它比Zn-Mg涂层中的金属间化合物更大，含15 wt.％Mg的Zn-Mg涂层具有无定形的显微组织显示出最佳的耐腐蚀性。图4（b）显示Zn / Zn-Mg涂层具有与Zn-Mg涂层相似的耐蚀性，因为它们具有相同的微观结构和金属间相。Zn / Zn-Mg涂层的腐蚀电流密度从5.89μA/ cm2变为1.55μA/ cm2，当Mg含量从5 wt.％增加到15 wt。时，腐蚀电位从-1.39 VSCE增加到-0.59 VSCE。％。在基材和Zn-Mg涂层之间插入Zn中间层并没有显示出对Zn-Mg涂层的耐腐蚀性的有害影响，但实际上，耐腐蚀性能略有提高，如表1所示，这可以归因于Zn / Zn-Mg涂层中附加的相间边界效应（additional interphase boundary effect ）。

3. 结合强度

全文结论：Mg组成范围从5 ％到15 ％的Zn-Mg涂层是通过EMHD工艺以1μ/ min的高沉积速率沉积的，并且在基底和基底之间沉积了厚度为1μm的Zn中间层。Zn-Mg涂层可改善涂层的可成形性和附着力。当Zn–Mg涂层的Mg组成从5％增加到15％时，涂层的微观结构从多孔结构变为无特征结构，而晶体结构从晶体变为非晶结构。Zn-Mg涂层的耐蚀性随Mg含量的增加而增加。Zn / Zn-Mg涂层与Zn-Mg涂层具有相似的化学组成，晶体结构和耐蚀性，即使在沉积Zn中间层时也是如此。附着力评估结果表明，Zn-Mg涂层的附着力和可成形性可通过Zn中间层的沉积得到大幅度改善，并且Zn / Zn-Mg涂层的最大附着力约为Zn-Mg的两倍。搭接剪切试验中的镁涂层。然而，具有15％（重量）的Mg的Zn / Zn-Mg涂层的最大粘附强度显示出最佳的耐腐蚀性，据测得略高于10 MPa，这远低于汽车应用所需的粘附强度。根据先前报道的论文，通过传统的纯锌电镀锌（EG）涂层和热浸镀锌（GI）涂层在钢上的搭接剪切试验，其粘合强度显示为约16至19 MPa.因此，需要进行更多的研究为了在工业上通过EMH PVD工艺用Zn-Mg涂层代替EG和GI涂层，仍然需要增加含镁量获得超过20 MPa的Zn-Mg涂层的附着强度。