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《华中科技大学》 2010年
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镁合金高能撞击表面纳米化与激光合金化研究

徐开东  
【摘要】:镁合金作为目前使用的最轻的金属结构材料,具有良好的减震、电磁屏蔽、机加工和易回收等优点,被誉为“二十一世纪的绿色工程材料”,是实现装备轻量化、便携化的一条重要途径,但其较差的抗蚀耐磨等性能限制了它的进一步发展,加强改善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。 系统研究了钢丸大小、撞击距离和处理时间等因素对高能撞击镁合金表面纳米化的影响,优化出了适用于镁合金表面自身纳米化的工艺参数:N_2和O_2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φ0.5 mm、撞击距离在290~320 mm范围内、且处理时间在180~240 s之间是较为合理的,利用该参数组合均能在镁合金表面成功实现纳米化。 纳米化处理后横截面微观组织形貌显示,整个变形层包括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。通过对不同变形层区TEM/HRTEM微观精细组织结构观察和分析,推演出了镁合金表面纳米化的内在细化机理,并抽象出了粗大晶粒在剧烈塑性形变条件下转变为纳米晶粒的晶粒细化模式。即:在镁合金表面纳米化的初始阶段以机械孪生为主,同时伴随着基面和棱柱面的位错运动;在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、变形储能升高以及位错的增值、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。 系统研究了纳米化层的行为,结果显示,纳米化层的硬度得到了显著提高,达到了基体硬度的两倍左右,且随着距表面深度的增加而逐渐减小,呈典型的梯度变化特征。摩擦磨损实验结果显示,纳米化处理后其摩擦系数和磨损失重都显著减小,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。通过在不同PH值的3.5%NaCl酸、碱、盐腐蚀介质中的腐蚀行为研究,发现纳米化处理后其耐蚀性能出现了恶化现象。热稳定性实验表明,镁合金纳米化表层稳定存在的临界温度为330°C。首次利用真空微波高温实验炉对纳米化前后的镁合金进行了扩散Al、Si和Al-12Si合金化的研究,成功实现了纳米化镁合金的微波扩散合金化,结果显示,随着温度的升高,合金化层厚度逐渐增加,且纳米化处理后合金化层深达到未经纳米化处理的2~3倍。 实验研究了适用于镁合金激光表面合金化的最佳工艺参数组合: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350 mm/s。 通过对Al-Nb/Al-TiB2/Al-(W, Ti)C系合金化层XRD衍射图谱的分析,发现在合金化层中Al与Nb以及基体中的Gd、Y等元素产生了原位反应,生成了高温硬质相Al_2Gd、Al_2Y、Al_3Nb等金属间化合物,且在合金化过程中强化相TiB_2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。SEM和TEM对截面微观精细组织结构的观察显示,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,原位合成的新相如Al_2Gd、Al_2Y、Al_3Nb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,但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。 硬度检测结果显示,合金化层的硬度提高达4~6倍;不同合金化成分和质量配比时的干摩擦磨损结果显示,合金化层的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,分析摩擦磨损形貌得知,粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损为主要的磨损形式。电化学检测结果表明,在一定合金化配比范围内,激光表面合金化能改善镁合金材料在3.5%NaCl水溶液中的耐蚀性能。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG174.44

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【参考文献】
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