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《沈阳工业大学》 2007年
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镁合金的微弧氧化及真空高能束流处理研究

赵晖  
【摘要】: 镁合金是目前可用的最轻的金属结构材料。镁合金具有很多优良的特性:低密度、高的比强度和比刚度、优良的机械加工性能和铸造性、高的热导率、优良的电磁屏蔽性能以及可回收利用等。目前,镁合金已经应用于汽车工业、电子工业、航空航天等领域。然而,限制镁合金结构件广泛应用的主要原因是镁合金较差的耐磨性和耐蚀性。因此,采用合适的表面处理方法,提高镁合金的表面耐腐蚀和耐摩擦磨损性能至关重要。 本论文的目的在于借鉴国际上现有研究成果的基础上,进一步探索镁合金材料表面处理的一些新方法,开发先进的镁合金表面处理技术和工艺,利用微弧氧化及高能束流(电子束和离子束)处理技术,系统地研究了镁合金表面处理后表层微观结构及性能(包括硬度,模量,耐磨性及耐蚀性),研究了表面处理工艺参数对处理层形貌、组织结构的影响规律;分析了结构变化对性能的影响,具体研究内容及结果包括如下三个方面: 1.镁合金表面微弧氧化(MAO):采用微弧氧化技术对镁合金进行表面处理,研究溶液配方和工艺参数对微弧氧化陶瓷层结构与性能的影响;探讨镁合金微弧氧化机理。结果表明,通过微弧氧化处理,镁合金表面可形成一定厚度的陶瓷层,其厚度随处理时间增加而增大。陶瓷层由外层的疏松层,内层的致密层构成,溶液浓度和处理时间不同,各层所占的比例不同。硅酸盐体系中获得的陶瓷层由MgO,Mg_2Si_2O_4和MgSiO_3相组成,陶瓷层形成速度较慢,结构致密;磷酸盐体系中获得的陶瓷层由MgO和MgAl_2O_4相组成,陶瓷层形成速度较快,结构疏松。盐雾实验结果表明,陶瓷层中致密层越厚,其耐蚀性越好,硅酸盐体系中获得的陶瓷层耐蚀性好。纳米压痕及摩擦磨损实验结果表明,陶瓷层纳米硬度和模量明显高于基体合金,其中致密层最高硬度达到基体的5倍以上,陶瓷层耐磨性均比基体有很大提高,不同工艺参数下获得的陶瓷层耐磨性不同,这主要与陶瓷层微观结构密切相关,其中MAO处理样品磨损量最小的,仅为基体镁合金的三十分之一。 2.镁合金表面强流脉冲电子束处理(HCPEB):采用脉冲电压为15 kV的电子束表面处理设备对镁合金表面进行处理,研究工艺参数对处理层结构的影响,研究处理层性能变化规律,探讨电子束与镁合金表面作用机理。结果表明,镁合金经强流脉冲电子束表面处理后,镁合金表面出现熔凝层,脉冲电流和脉冲次数对表面熔凝层厚度具有较大的影响作用,表面熔凝层最大厚度可达几十微米;处理层硬度比基体组织有所提高,最高可以达到基体组织硬度的2倍;电子束表面处理后,磨擦系数和磨损量均显著下降,表面耐磨性有所提高,这与晶粒细化导致的硬度提高有关;XRD分析表明,随着脉冲电流的增加,Mg_(17)Al_(12)相对应的波峰强度呈上升趋势;并且在处理过的AZ91镁合金中发现AlMg亚稳相。 3.镁合金表面强流脉冲离子束处理(HIPIB):采用加速电压为450 kV的离子加速器对镁合金表面进行处理,研究工艺参数对处理层组织和性能的影响,探讨作用机制。结果表明,HIPIB处理后的镁合金截面显微组织,沿离子束处理方向可分为重熔层和细化层两层结构,随着脉冲次数和离子束密度的增加,重熔层和细化层的厚度逐渐增加;HIPIB使镁合金表面快速加热、熔化甚至汽化,当脉冲能量大于100 A/cm~2时,镁合金表面会出现大量熔坑;经过HIPIB处理的AZ91镁合金从表面到内部,纳米硬度逐渐降低,最表层硬度是基体合金的2倍,硬化机制有冲击硬化和晶粒细化两种机制,表面硬化使处理后的镁合金耐磨性有很大程度提高;由于HIPIB处理具有表面清洁与去吸附作用,表层合金元素的均匀化作用和表层的组织细化作用,处理后的镁合金表面耐腐蚀性能也有明显提高。
【学位授予单位】:沈阳工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG174.451

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