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構材料，具有良好的減震、電磁屏蔽、機加工和易回收等優(yōu)點，被譽為“二十一世紀的綠色工程材料”，是實現裝備輕量化、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一步發(fā)展，加強改善鎂合金耐蝕耐磨性能的研究，對于推動鎂合金更加廣泛的應用并充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢具有重要意義。本文通過高能撞擊誘導表面自身納米化和激光表面合金化兩種工藝來達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、距離和處理時間等因素對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：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、且處理時間在180～240 s之間是較為合理的，利用該參數組合均能在鎂合金表面成功實現納米化。
　　 納米化處理后橫截面微觀組織形貌顯示，整個變形層包括嚴重塑性變形的表層、變形孿晶為主的亞表

3、層及靠近基體輕微變形的過渡層，變形層呈明顯的梯度變化特征。通過對不同變形層區(qū)TEM/HRTEM微觀精細組織結構觀察和分析，推演出了鎂合金表面納米化的內在細化機理，并抽象出了粗大晶粒在劇烈塑性形變條件下轉變?yōu)榧{米晶粒的晶粒細化模式。即：在鎂合金表面納米化的初始階段以機械孿生為主，同時伴隨著基面和棱柱面的位錯運動；在形變中期以孿生和位錯運動的協調、競爭為主，通過前期晶粒一定程度的細化和溫度的升高，導致交滑移的產生，位錯在后期的競爭中占據主導

4、，進一步分割殘余孿晶和微觀條帶狀亞結構；隨著畸變加劇、變形儲能升高以及位錯的增值、湮滅與重排，高能亞結構在足夠的驅動力下發(fā)生了動態(tài)再結晶，最終形成了分布均勻、取向隨機、晶界清晰的納米晶粒。
　　 系統(tǒng)研究了納米化層的行為，結果顯示，納米化層的硬度得到了顯著提高，達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。摩擦磨損實驗結果顯示，納米化處理后其摩擦系數和磨損失重都顯著減小，磨損機制為以粘著磨損和

5、磨粒磨損為主，同時伴隨著氧化磨損。通過在不同PH值的3.5％NaCl酸、堿、鹽腐蝕介質中的腐蝕行為研究，發(fā)現納米化處理后其耐蝕性能出現了惡化現象。熱穩(wěn)定性實驗表明，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驗爐對納米化前后的鎂合金進行了擴散Al、Si和Al-12Si合金化的研究，成功實現了納米化鎂合金的微波擴散合金化，結果顯示，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到未經納米化處理的

6、2～3倍。
　　 實驗研究了適用于鎂合金激光表面合金化的最佳工藝參數組合：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。
　　 通過對Al-Nb/Al-TiB2/Al-(W，Ti)C系合金化層XRD衍射圖譜的分析，發(fā)現在合金化層中Al與Nb以及基體中的Gd、Y等元素產生了原位反應，生成了高溫硬質相Al2Gd、Al2Y、Al3Nb等金屬間化合物，且在合金化過程中強化

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，表面質量呈現出逐漸變差的趨勢，出現了一定程度的結瘤現象。SEM和TEM對截面微觀精細組織結構的觀察顯示，晶粒顯著細化、分布均勻，整個橫截面分為合金化層、過渡層和基體三部分，原位合成的新相如Al2Gd、Al2Y、Al3Nb及強化相TiB2和(W，Ti)C等在合金化層中的分布彌散均勻，絕大多數形貌呈近球形，僅有小部分呈四邊形塊狀，但與基體結合

8、部位較為圓潤，且形成的大部分金屬間化合物的尺寸在100 nm左右，通過進一步觀察發(fā)現，粒度稍大的形貌并不是單個的化合物析出相，而是多個粒子的團聚，與基體之間具有良好的相容性。
　　 硬度檢測結果顯示，合金化層的硬度提高達4～6倍；不同合金化成分和質量配比時的干摩擦磨損結果顯示，合金化層的摩擦磨損性能得到明顯提高，摩擦系數由基體的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