快速冷卻下鎂合金激光表面改性行為研究.pdf

1、鎂及鎂合金材料以其低密度、高比強度、高比剛度、可循環(huán)再利用等優(yōu)點，被譽為“21世紀的綠色工程材料”，在交通運載、電子產(chǎn)品等領域受到極大關注及應用。但較差的常溫力學性能、表面耐蝕和耐磨性能，限制了它的更廣泛發(fā)展和應用。有著“未來制造系統(tǒng)共同的加工手段”之稱的激光，用于鎂合金材料的表面改性處理，具有能量密度高、可控性好、節(jié)省能源且?guī)缀醪划a(chǎn)生環(huán)境污染的優(yōu)勢，是理想的鎂合金表面改性方法之一。
　　本文在討論激光與鎂合金材料相互作用的基礎上

2、，利用波長10.6μm的高功率CO2氣體激光器對AZ31B鎂合金進行激光表面改性，在不同的冷卻介質(zhì)中分別對其進行表面激光熔凝和激光熔覆，對比分析和研究了改性層的微觀組織結構和表面性能，以此為依據(jù)探討了鎂合金激光表面改性的微觀組織演變和改性機制。
　　為研究鎂合金熔滴的凝固結晶行為，進行了鎂合金熔滴在不同介質(zhì)中冷卻凝固的試驗研究。結果表明，分別在氬氣、水、淬火油和液氮中冷卻，鎂合金顆粒的晶粒逐漸減小，β-Mg17Al12的含量逐漸降

3、低。微觀組織結構的差別造成鎂合金的硬度不同，在氬氣、水、淬火油和液氮中冷卻的鎂合金顆粒的顯微硬度分別為53.7HV、56.0HV、60.1HV和73.2HV，液氮冷卻介質(zhì)的鎂合金顆粒的顯微硬度分別是其它三種的1.36倍、1.31倍和1.22倍。
　　為探究快速冷卻下鎂合金激光表面改性的凝固結晶行為，在氬氣和液氮兩種冷卻介質(zhì)中分別進行了激光表面熔凝處理。氬氣冷卻熔凝層（簡記為CAL）和液氮冷卻熔凝層（簡記為CLNL）的最大熔深分別約

4、為580μm和230μm。熔融的鎂合金沿著與熱流相反的方向以聯(lián)生方式結晶凝固，從熔凝區(qū)橫截面的底部至表層，以樹枝晶方式生長，枝晶間距逐漸減小，表層結晶組織生長方向紊亂。但是CLNL的晶粒更加細小，中上部晶粒大小較均勻，且周期性凝固組織更明顯。原始鎂合金、CAL和CLNL的平均晶粒大小分別約58.7μm、10.8μm和5.1μm。熔凝層和原始鎂合金都由α-Mg和β-Mg17Al12組成，更快速冷卻凝固的CLNL的β-Mg17Al12含量最

5、少。析出相的分布和形態(tài)也不同，原始鎂合金中析出相存在晶界和晶內(nèi)，而在CAL和CLNL中析出相主要出現(xiàn)在晶內(nèi)，析出相在這三種材料中形態(tài)的分別為類球狀、棒狀和條狀。CLNL的局部發(fā)現(xiàn)了納米晶和非晶的混合結構。
　　鎂合金激光熔凝后，表面顯微硬度、耐磨性和耐蝕性都得到提高，尤以CLNL的改善程度最好。CLNL和CAL的平均顯微硬度分別是原始鎂合金的2.98倍和1.54倍。在2N載荷作用下摩擦20min后，原始鎂合金、CAL和CLNL的磨

6、損失量分別為10mg、8mg和5mg。電化學腐蝕表明，CLNL的腐蝕電位比原始鎂合金和CAL分別正移了133mV和7mV，腐蝕電流密度分別降低了2個數(shù)量級和1個數(shù)量級，平均腐蝕速率是原始鎂合金和CAL的0.37倍和0.78倍。
　　將液氮低溫冷卻用于鎂合金表面激光熔覆，開發(fā)了一種用于鎂合金激光熔覆的新熔覆材料——Al-Si合金和Si3N4陶瓷的復合粉。Si3N4陶瓷在高能激光作用下發(fā)生分解，并與Al-Si合金以及基體表層的Mg相互

7、作用，形成了由Al、AlN、Al9Si、Mg2Si組成的熔覆層。熔覆層的顯微硬度比鎂合金基體提高了6.69倍，自腐蝕電位正移了365mV，腐蝕電流密度降低了大約兩個數(shù)量級。
　　在以上研究基礎上，分析了鎂合金激光表面改性的凝固結晶行為、組織演變機理及改性機制。鎂合金與激光的相互作用過程中，表層鎂合金熔化，同時在熱過冷作用下，熔池逐漸凝固并以基體未熔晶粒表面為基進行非自發(fā)形核結晶長大。改性層中的晶核最終長大為柱狀樹枝晶組織，生長方向