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文檔簡介
1、鎂合金作為最輕的商用金屬材料,具有密度低、比強度高和優(yōu)良的阻尼減震、電磁屏蔽和鑄造成型等性能,受到航空、汽車和電子等行業(yè)的廣泛關注,被認為是鋁合金的潛在替代者,然而現有鎂合金較差的耐腐蝕和耐磨損能力使其應用受到了嚴重制約。強流脈沖電子束是近年來新興的材料表面改性技術,它是利用電子束短脈沖、高能密沉積引發(fā)材料表層的快速熔凝與熱應力沖擊作用,實現組織細化和成分均勻化效應,進而改善材料表面的物理化學性能。已有研究表明,強流脈沖電子束表面改性可
2、以提高鎂合金的表面性能,然而對于不同強流脈沖電子束處理條件下的顯微組織演變特點,以及相應的表面性能變化機制仍有待深入研究。
本文選用工業(yè)廣泛使用的AZ91鎂合金作為實驗材料(包括鑄造態(tài)和軋制態(tài)原始組織),通過調整現有強流脈沖電子束工作參數,包括加速電壓和脈沖處理次數,開展表面改性系列實驗,系統(tǒng)分析AZ91鎂合金樣品表層顯微組織、相結構、成分分布和表面性能演變規(guī)律,得到主要研究結果如下:
AZ91鑄造鎂合金經強流脈沖電
3、子束表面改性后,鎂合金表面首先出現凝固起伏形貌,并伴有大量燒蝕坑的產生,隨著轟擊脈沖次數的增加,改性表面逐漸平滑,直至燒蝕坑被完全修復。使用27 kV時,8次脈沖可使表面大部分燒蝕坑得到修復,而23.4 kV改性時,表面燒蝕現象總體較弱,3次脈沖后表面即趨于平滑。強流脈沖電子束改性后,鎂合金表層晶粒顯著細化,由原始150~200μm的樹枝晶轉變?yōu)?0~70 nm的等軸納米組織,改性表層發(fā)生亞穩(wěn)相變,α-Mg轉變?yōu)楹珹l較高的六方亞穩(wěn)相。
4、27 kV-15次脈沖處理后,生成鎂合金中含Al量最高的六方亞穩(wěn)相Mg3.1 Al0.9,而23.4 kV-30次脈沖轟擊后,鎂合金表面主要由α-Mg與六方亞穩(wěn)相共同組成。
AZ91軋制鎂合金經強流脈沖電子束表面改性后,鎂合金表面同時出現燒蝕與熔坑噴發(fā)作用。使用較少脈沖時,表面燒蝕坑主要集中在晶界處,熔坑噴發(fā)現象集中在α-Mg晶粒內部,繼續(xù)增加脈沖次數,表面燒蝕坑呈現高密度分布,熔坑數量則明顯減少且尺寸急劇增大。對AZ91軋制
5、鎂合金進行固溶處理后,表面燒蝕坑密度顯著降低。強流脈沖電子束改性后,AZ91軋制鎂合金亦發(fā)生明顯晶粒細化,由20~40μm的等軸晶轉變?yōu)椤?0 nm的納米晶體。與AZ91鑄造鎂合金不同,軋制鎂合金未發(fā)生亞穩(wěn)相變,只有在引入固溶處理后,使用27 kV時,15次脈沖時才發(fā)生亞穩(wěn)相變,鎂合金表面主要由α-Mg與六方亞穩(wěn)相共同組成。
強流脈沖電子束表面改性過程中,AZ91鑄造鎂合金表面Al元素增加主要通過表層選擇蒸發(fā)與Mg17Al12
6、相熔解擴散實現。表面燒蝕對Al元素增加帶來不利影響,8次脈沖轟擊后表面燒蝕減弱,鎂合金表面Al元素快速增加,形成連續(xù)的Al元素富集層,開始觸發(fā)亞穩(wěn)相變,而在27 kV-15次脈沖處理后,表層Al元素富集更為明顯且分布均勻,形成了由Mg3.1Al0.9亞穩(wěn)相與網狀Mg17Al12相組成的復合納米結構。使用23.4 kV時,由于選擇蒸發(fā)效應較弱,30次脈沖處理表面只能形成由六方亞穩(wěn)相、α-Mg與Mg17Al12相組成的網狀復合納米結構。
7、r> 對于AZ91軋制鎂合金,表面Al元素增加主要通過選擇蒸發(fā)實現。由于無法有效控制表面燒蝕,經過30次脈沖處理后,Al元素含量稍有增加,表面生成α-Mg與Mg17Al12相組成的復合納米結構,而在引入固溶處理后,燒蝕得到有效控制,表面形成由α-Mg、六方亞穩(wěn)相與Mg17Al12相組成的復合納米結構。
強流脈沖電子束表面改性可有效提高鎂合金的摩擦磨損性能,AZ91鑄造鎂合金的磨損速率由原始0.01126 mm3/m降到0.0
8、0173 mm3/m,僅為改性前的16%。AZ91軋制鎂合金的摩擦磨損性能亦得到明顯提升,磨損速率降為改性前的47%。
強流脈沖電子束表面改性可有效提高鎂合金耐腐蝕性能,電化學測試表明,AZ91鑄造鎂合金的陰極腐蝕電流降低約2個數量級,而AZ91軋制鎂合金的陰極腐蝕電流降幅也超過一個數量級。浸蝕實驗顯示,強流脈沖電子束制備的表面復合納米結構,可以通過壓縮第二相間隙空間抑制周圍基相的腐蝕擴展,將點蝕控制在萌生階段,在3.5 wt
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