鎂合金高能撞擊表面納米化與激光合金化研究.pdf

1、鎂合金作為目前使用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有良好的減震、電磁屏蔽、機(jī)加工和易回收等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)的綠色工程材料”，是實(shí)現(xiàn)裝備輕量化、便攜化的一條重要途徑，但其較差的抗蝕耐磨等性能限制了它的進(jìn)一步發(fā)展，加強(qiáng)改善鎂合金耐蝕耐磨性能的研究，對(duì)于推動(dòng)鎂合金更加廣泛的應(yīng)用并充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)具有重要意義。本文通過(guò)高能撞擊誘導(dǎo)表面自身納米化和激光表面合金化兩種工藝來(lái)達(dá)到改善鎂合金材料表面性能的目的。
　　 系統(tǒng)研究了鋼丸大小、撞擊

2、距離和處理時(shí)間等因素對(duì)高能撞擊鎂合金表面納米化的影響，優(yōu)化出了適用于鎂合金表面自身納米化的工藝參數(shù)：N2和O2壓力為1.5 Mpa，氮氧流量比為7∶5，煤油流量為4 L/h，撞擊顆粒粒徑為φ0.5 mm、撞擊距離在290～320 mm范圍內(nèi)、且處理時(shí)間在180～240 s之間是較為合理的，利用該參數(shù)組合均能在鎂合金表面成功實(shí)現(xiàn)納米化。
　　 納米化處理后橫截面微觀組織形貌顯示，整個(gè)變形層包括嚴(yán)重塑性變形的表層、變形孿晶為主的亞表

3、層及靠近基體輕微變形的過(guò)渡層，變形層呈明顯的梯度變化特征。通過(guò)對(duì)不同變形層區(qū)TEM/HRTEM微觀精細(xì)組織結(jié)構(gòu)觀察和分析，推演出了鎂合金表面納米化的內(nèi)在細(xì)化機(jī)理，并抽象出了粗大晶粒在劇烈塑性形變條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶粒的晶粒細(xì)化模式。即：在鎂合金表面納米化的初始階段以機(jī)械孿生為主，同時(shí)伴隨著基面和棱柱面的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；在形變中期以孿生和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)、競(jìng)爭(zhēng)為主，通過(guò)前期晶粒一定程度的細(xì)化和溫度的升高，導(dǎo)致交滑移的產(chǎn)生，位錯(cuò)在后期的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主導(dǎo)

4、，進(jìn)一步分割殘余孿晶和微觀條帶狀亞結(jié)構(gòu)；隨著畸變加劇、變形儲(chǔ)能升高以及位錯(cuò)的增值、湮滅與重排，高能亞結(jié)構(gòu)在足夠的驅(qū)動(dòng)力下發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，最終形成了分布均勻、取向隨機(jī)、晶界清晰的納米晶粒。
　　 系統(tǒng)研究了納米化層的行為，結(jié)果顯示，納米化層的硬度得到了顯著提高，達(dá)到了基體硬度的兩倍左右，且隨著距表面深度的增加而逐漸減小，呈典型的梯度變化特征。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，納米化處理后其摩擦系數(shù)和磨損失重都顯著減小，磨損機(jī)制為以粘著磨損和

5、磨粒磨損為主，同時(shí)伴隨著氧化磨損。通過(guò)在不同PH值的3.5％NaCl酸、堿、鹽腐蝕介質(zhì)中的腐蝕行為研究，發(fā)現(xiàn)納米化處理后其耐蝕性能出現(xiàn)了惡化現(xiàn)象。熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明，鎂合金納米化表層穩(wěn)定存在的臨界溫度為330 ℃。首次利用真空微波高溫實(shí)驗(yàn)爐對(duì)納米化前后的鎂合金進(jìn)行了擴(kuò)散Al、Si和Al-12Si合金化的研究，成功實(shí)現(xiàn)了納米化鎂合金的微波擴(kuò)散合金化，結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，合金化層厚度逐漸增加，且納米化處理后合金化層深達(dá)到未經(jīng)納米化處理的

6、2～3倍。
　　 實(shí)驗(yàn)研究了適用于鎂合金激光表面合金化的最佳工藝參數(shù)組合：脈寬為0.8 ms，頻率為45Hz，光斑直徑約為1.0 mm，電流220 A，掃描速度350 mm/s。
　　 通過(guò)對(duì)Al-Nb/Al-TiB2/Al-(W，Ti)C系合金化層XRD衍射圖譜的分析，發(fā)現(xiàn)在合金化層中Al與Nb以及基體中的Gd、Y等元素產(chǎn)生了原位反應(yīng)，生成了高溫硬質(zhì)相Al2Gd、Al2Y、Al3Nb等金屬間化合物，且在合金化過(guò)程中強(qiáng)化

7、相TiB2和(W，Ti)C并未發(fā)生分解。表面宏觀形貌顯示，隨著元素Al在合金化混合粉末中含量的減少，表面質(zhì)量呈現(xiàn)出逐漸變差的趨勢(shì)，出現(xiàn)了一定程度的結(jié)瘤現(xiàn)象。SEM和TEM對(duì)截面微觀精細(xì)組織結(jié)構(gòu)的觀察顯示，晶粒顯著細(xì)化、分布均勻，整個(gè)橫截面分為合金化層、過(guò)渡層和基體三部分，原位合成的新相如Al2Gd、Al2Y、Al3Nb及強(qiáng)化相TiB2和(W，Ti)C等在合金化層中的分布彌散均勻，絕大多數(shù)形貌呈近球形，僅有小部分呈四邊形塊狀，但與基體結(jié)合

8、部位較為圓潤(rùn)，且形成的大部分金屬間化合物的尺寸在100 nm左右，通過(guò)進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，粒度稍大的形貌并不是單個(gè)的化合物析出相，而是多個(gè)粒子的團(tuán)聚，與基體之間具有良好的相容性。
　　 硬度檢測(cè)結(jié)果顯示，合金化層的硬度提高達(dá)4～6倍；不同合金化成分和質(zhì)量配比時(shí)的干摩擦磨損結(jié)果顯示，合金化層的摩擦磨損性能得到明顯提高，摩擦系數(shù)由基體的0.52左右降至0.25～0.35，分析摩擦磨損形貌得知，粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損為主要的磨損形式