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镁合金高能表面强化研究

徐开东  
【摘要】:材料的表面性能如疲劳、耐蚀、耐磨和热稳定性等决定了其服役环境和使用寿命,加强镁合金耐蚀耐磨性能的研究,对于推动镁合金更加广泛的应用并充分发挥其性能优势具有重要意义。本文通过高能撞击诱导表面自身纳米化和激光表面合金化两种工艺来达到改善镁合金材料表面性能的目的。 系统研究了高能撞击的工艺,优化出了适用于镁合金表面自身纳米化的工艺参数:N2和02压力为1.5 MPa,氮氧流量比为7:5,煤油流量为4 L/h,撞击颗粒粒径为Φ0.5mm、撞击距离在290-320mm范围内、处理时间在180-240s间,均能成功实现镁合金表面纳米化。 纳米化层的组织分析表明,撞击形变层变由严重塑性变形的表层、变形孪晶为主的亚表层及靠近基体轻微变形的过渡层,变形层呈明显的梯度变化特征。通过透射电镜(TEM/HRTEM)对微观精细组织结构的观察和分析,推演出了镁合金表面纳米化的内在细化机理,并建立了粗大晶粒在剧烈塑性形变条件下纳米晶粒形成模型。即:形变初始阶段以孪生为主,同时伴随着基面(0001)和棱柱面{1010}或{1120}的位错运动;形变中期以孪生和位错运动的协调/竞争为主,通过前期晶粒一定程度的细化和温度的升高,导致交滑移的产生,位错在后期的竞争中占据主导,进一步分割残余孪晶和微观条带状亚结构;随着畸变加剧、变形储能增加以及位错的增值、湮灭与重排,高能亚结构在足够的驱动力下发生了动态再结晶,最终形成了分布均匀、取向随机、晶界清晰的纳米晶粒。 纳米化层的行为研究表明,纳米化层为基体硬度的两倍左右,硬度纵向分布呈典型的梯度变化特征;纳米化层摩擦系数和磨损失重均显著减小,磨损机制为以粘着磨损和磨粒磨损为主,同时伴随着氧化磨损;在不同PH值的3.5%NaCl酸、碱、盐腐蚀介质中,纳米化层呈现耐蚀性明显恶化的特征;纳米化层热稳定的临界温度为330℃;纳米化层的微波加热扩散Al-Si合金时,随着微波加热温度的升高,合金化层厚度逐渐增加,纳米晶层的合金化层厚度为微米晶层的2-3倍。 研究了采用脉冲YAG激光进行镁合金激光表面合金化的工艺,得到了最佳工艺参数,即:脉宽为0.8 ms,频率为45Hz,光斑直径约为1.0 mm,电流220 A,扫描速度350mm/min。 Al-Nb/Al-TiB2和Al-(W, Ti)C系激光合金化的结果表明,合金化层中Al与Nb及基体成分Gd、Y等元素产生了原位反应,生成了高温硬质相Al2Gd、Al2Y、Al3Nb等金属间化合物,且在合金化过程中强化相TiB2和(W, Ti)C并未发生分解。表面宏观形貌显示,随着元素Al在合金化混合粉末中含量的减少,表面质量呈现出逐渐变差的趋势,出现了一定程度的结瘤现象。 激光合金化层的SEM观察发现,晶粒显著细化、分布均匀,整个横截面分为合金化层、过渡层和基体三部分;TEM观察显示,原位合成的新相如Al2Gd、Al2Y、A13Nb及强化相TiB2和(W, Ti)C等在合金化层中的分布弥散均匀,绝大多数形貌呈近球形,仅有小部分呈四边形块状,与基体结合部位较为圆润,且形成的大部分金属间化合物的尺寸在100 nm左右;通过进一步观察发现,粒度稍大的形貌并不是单个的化合物析出相,而是多个粒子的团聚,与基体之间具有良好的相容性。 激光合金化层的性能研究表明,合金化层的显微硬度提高达4-6倍;不同成分合金化层的干摩擦磨损性能得到明显提高,摩擦系数由基体的0.52左右降至0.25-0.35,磨损机理为粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损;成分配比为1:1左右时,激光表面合金化显著改善了镁合金材料在3.5%NaCl水溶液中的耐蚀性能。


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