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(jié)構(gòu)材料。鎂合金具有很多優(yōu)良的特性：低密度、高的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)良的機(jī)械加工性能和鑄造性、高的熱導(dǎo)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(yīng)用于汽車工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。然而，限制鎂合金結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)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(guān)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(chǔ)上，進(jìn)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(jìn)的鎂合金表面處理技術(shù)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(shù)，系統(tǒng)地研究了鎂合金表面處理后表層微觀結(jié)構(gòu)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(duì)處理層形貌、組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；分析了結(jié)構(gòu)變化對(duì)性能的影響，具體研究內(nèi)容及結(jié)果包括如下三個(gè)方面： 1．鎂合金表面微弧氧化(MAO)：采用微弧氧化技術(shù)對(duì)鎂合金進(jìn)行表面處理，研究溶液配方和工藝參數(shù)對(duì)微弧氧化陶瓷

3、層結(jié)構(gòu)與性能的影響；探討鎂合金微弧氧化機(jī)理。結(jié)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(shí)間增加而增大。陶瓷層由外層的疏松層，內(nèi)層的致密層構(gòu)成，溶液濃度和處理時(shí)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)疏松

4、。鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)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(jié)構(gòu)密切相關(guān)，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(qiáng)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(shè)備對(duì)鎂合金表面進(jìn)行處理，研究工藝參數(shù)對(duì)處理層結(jié)構(gòu)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(jī)理。結(jié)果表明，鎂合金經(jīng)強(qiáng)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(duì)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(dá)幾十微米；處理層硬度比基體組織有所提高，最高可以達(dá)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(xì)化導(dǎo)致的硬度提高有關(guān)

6、；XRD分析表明，隨著脈沖電流的增加，Mg<,17>Al<,12>相對(duì)應(yīng)的波峰強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)；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(qiáng)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(duì)鎂合金表面進(jìn)行處理，研究工藝參數(shù)對(duì)處理層組織和性能的影響，探討作用機(jī)制。結(jié)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(xì)化層兩層結(jié)構(gòu)，隨著脈沖次數(shù)和離子束密度的增加

7、，重熔層和細(xì)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(dāng)脈沖能量大于100A/cm<'2>時(shí)，鎂合金表面會(huì)出現(xiàn)大量熔坑；經(jīng)過HIPIB處理的AZ91鎂合金從表面到內(nèi)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(jī)制有沖擊硬化和晶粒細(xì)化兩種機(jī)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(xì)化作用，處理后的鎂合金表面耐腐蝕性能