鎂合金的微弧氧化及真空高能束流處理研究.pdf

1、鎂合金是目前可用的最輕的金屬結構材料。鎂合金具有很多優(yōu)良的特性：低密度、高的比強度和比剛度、優(yōu)良的機械加工性能和鑄造性、高的熱導率、優(yōu)良的電磁屏蔽性能以及可回收利用等。目前，鎂合金已經(jīng)應用于汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天等領域。然而，限制鎂合金結構件廣泛應用的主要原因是鎂合金較差的耐磨性和耐蝕性。因此，采用合適的表面處理方法，提高鎂合金的表面耐腐蝕和耐摩擦磨損性能至關重要。 本論文的目的在于借鑒國際上現(xiàn)有研究成果的基礎上，進一步探

2、索鎂合金材料表面處理的一些新方法，開發(fā)先進的鎂合金表面處理技術和工藝，利用微弧氧化及高能束流(電子束和離子束)處理技術，系統(tǒng)地研究了鎂合金表面處理后表層微觀結構及性能(包括硬度，模量，耐磨性及耐蝕性)，研究了表面處理工藝參數(shù)對處理層形貌、組織結構的影響規(guī)律；分析了結構變化對性能的影響，具體研究內容及結果包括如下三個方面： 1．鎂合金表面微弧氧化(MAO)：采用微弧氧化技術對鎂合金進行表面處理，研究溶液配方和工藝參數(shù)對微弧氧化陶瓷

3、層結構與性能的影響；探討鎂合金微弧氧化機理。結果表明，通過微弧氧化處理，鎂合金表面可形成一定厚度的陶瓷層，其厚度隨處理時間增加而增大。陶瓷層由外層的疏松層，內層的致密層構成，溶液濃度和處理時間不同，各層所占的比例不同。硅酸鹽體系中獲得的陶瓷層由MgO，Mg<,2>Si<,2>O<,4>和MgSiO<,3>相組成，陶瓷層形成速度較慢，結構致密；磷酸鹽體系中獲得的陶瓷層由MgO和MgAl<,2>O<,4>相組成，陶瓷層形成速度較快，結構疏松

4、。鹽霧實驗結果表明，陶瓷層中致密層越厚，其耐蝕性越好，硅酸鹽體系中獲得的陶瓷層耐蝕性好。納米壓痕及摩擦磨損實驗結果表明，陶瓷層納米硬度和模量明顯高于基體合金，其中致密層最高硬度達到基體的5倍以上，陶瓷層耐磨性均比基體有很大提高，不同工藝參數(shù)下獲得的陶瓷層耐磨性不同，這主要與陶瓷層微觀結構密切相關，其中MAO處理樣品磨損量最小的，僅為基體鎂合金的三十分之一。 2．鎂合金表面強流脈沖電子束處理(HCPEB)：采用脈沖電壓為15 kV

5、的電子束表面處理設備對鎂合金表面進行處理，研究工藝參數(shù)對處理層結構的影響，研究處理層性能變化規(guī)律，探討電子束與鎂合金表面作用機理。結果表明，鎂合金經(jīng)強流脈沖電子束表面處理后，鎂合金表面出現(xiàn)熔凝層，脈沖電流和脈沖次數(shù)對表面熔凝層厚度具有較大的影響作用，表面熔凝層最大厚度可達幾十微米；處理層硬度比基體組織有所提高，最高可以達到基體組織硬度的2倍；電子束表面處理后，磨擦系數(shù)和磨損量均顯著下降，表面耐磨性有所提高，這與晶粒細化導致的硬度提高有關

6、；XRD分析表明，隨著脈沖電流的增加，Mg<,17>Al<,12>相對應的波峰強度呈上升趨勢；并且在處理過的AZ91鎂合金中發(fā)現(xiàn)AlMg亞穩(wěn)相。 3．鎂合金表面強流脈沖離子束處理(HIPIB)：采用加速電壓為450 kV的離子加速器對鎂合金表面進行處理，研究工藝參數(shù)對處理層組織和性能的影響，探討作用機制。結果表明，HIPIB處理后的鎂合金截面顯微組織，沿離子束處理方向可分為重熔層和細化層兩層結構，隨著脈沖次數(shù)和離子束密度的增加

7、，重熔層和細化層的厚度逐漸增加；HIPIB使鎂合金表面快速加熱、熔化甚至汽化，當脈沖能量大于100A/cm<'2>時，鎂合金表面會出現(xiàn)大量熔坑；經(jīng)過HIPIB處理的AZ91鎂合金從表面到內部，納米硬度逐漸降低，最表層硬度是基體合金的2倍，硬化機制有沖擊硬化和晶粒細化兩種機制，表面硬化使處理后的鎂合金耐磨性有很大程度提高；由于HIPIB處理具有表面清潔與去吸附作用，表層合金元素的均勻化作用和表層的組織細化作用，處理后的鎂合金表面耐腐蝕性能