鎂合金表面熔敷層的制備與性能研究.pdf

1、鎂合金是一種能夠滿足輕量化要求、發(fā)展前景極為樂觀的輕質(zhì)合金材料。與其他金屬材料相比，鎂合金具有密度小、高比剛度和比強(qiáng)度、阻尼減震性能好、良好的抗電磁干擾屏障以及易于機(jī)械加工等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、電子、核工業(yè)、石油化工設(shè)備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。但是，鎂合金的強(qiáng)度和硬度較低，耐磨性和耐腐蝕性能較差，大大限制了其作為工程結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用范圍。 本論文建立了一種性能良好，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，便于操作的鎂合金表面改性工藝，即，將脈沖鎢極氬弧熔敷

2、技術(shù)引入到鎂合金表面改性技術(shù)領(lǐng)域，采用交流脈沖鎢極氬弧表面熔敷工藝在鎂合金表面制備熔敷層。另外，采用激光表面熔敷工藝在鎂合金表面制備陶瓷顆粒增強(qiáng)熔敷層。本文選擇廣泛應(yīng)用的鎂合金AZ31為基體，陶瓷顆粒為其增強(qiáng)體。采用光學(xué)顯微鏡(OM)，掃描電鏡(SEM)，能譜儀(EDS)，透射電鏡(TEM)，電化學(xué)測試等分析手段，主要研究了表面SiCp，SiCp+Al，B<,4>Cp增強(qiáng)熔敷層的制備工藝以及表面熔敷層的微觀組織對力學(xué)性能、磨損和腐蝕行為

3、的影響。 對陶瓷顆粒進(jìn)入焊接熔池過程的兩個(gè)階段即陶瓷顆粒穿越熔池金屬表面以及陶瓷顆粒在熔池內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，并嘗試建立了一個(gè)簡單的模型，分析了脈沖鎢極氬弧表面熔敷層的形成機(jī)理。在合適的工藝參數(shù)下(脈沖鎢極氬弧I=150A，v=200mm/min，f=8Hz；激光P=20.KW，v=12mm/s)所得到的熔敷層的宏觀表面均勻整潔，無氣孔、夾渣、弧坑等缺陷。在熔敷層內(nèi)部獲得了顯著細(xì)化的等軸晶粒，脈沖鎢極氬弧表面熔敷層和激光表

4、面熔敷層內(nèi)的晶粒尺寸最小分別達(dá)到9μm和4μm。這是由于多種驅(qū)動(dòng)力(如，熔化金屬的浮力和表面張力，電磁力，脈沖電弧吹力等)以及脈沖電流在熔池中產(chǎn)生劇烈攪拌的綜合作用，在熔池內(nèi)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的對流和紊流。同時(shí)，由于試件被安裝在導(dǎo)熱良好的銅墊板上，試件表面與試件基體的邊界之間存在較大的溫度梯度，從而導(dǎo)致試件表面的熔池在較高的冷卻速度下快速凝固。因此樹枝晶破碎所需的時(shí)間較短，即在熔池金屬全部凝固之前，樹枝晶便開始破碎，從而在熔敷層中獲得顯著細(xì)化的

5、等軸晶粒。 在鎢極氬弧和激光表面熔敷層內(nèi)，陶瓷顆粒與鎂合金AZ31基體之間的界面處無缺陷，沒有明顯的反應(yīng)物生成，陶瓷顆粒沒有發(fā)生明顯的熔化和分解現(xiàn)象，而且界面結(jié)合良好。熔敷層表面鎂的含量有所降低，而鋁含量有所增加，將有利于表面致密氧化膜的形成，對提高表面耐腐蝕性能和耐磨性能非常有利。 與鎂合金AZ31母材的硬度(約為55HV)相比， SiCp和B<,4>Cp增強(qiáng)脈沖鎢極氬弧表面熔敷層的硬度顯著增加，約為120-160HV

6、，激光表面熔敷層的硬度約為150-185HV。表面熔敷層硬度的增加主要由于大量高硬度的陶瓷顆粒的存在，晶粒的細(xì)化以及大量細(xì)小的β相(Mg<,17>Al<,12>)均勻地分布在熔敷層內(nèi)，從而有效地阻止了位錯(cuò)遷移和晶界滑移，限制了熔敷層的變形能力，提高了熔敷層的硬度。 SiCp增強(qiáng)脈沖鎢極氬弧表面熔敷層的屈服強(qiáng)度σ<,0.2>、極限拉伸強(qiáng)度σ<,UTS>隨著陶瓷顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而升高，而且含有較小顆粒尺寸的SiCp增強(qiáng)熔敷層的屈服強(qiáng)度σ<

7、,0.2>、極限拉伸強(qiáng)度σ<,UTS>增強(qiáng)幅度大于含有較大顆粒尺寸的SiCp增強(qiáng)熔敷層，而延伸率試驗(yàn)結(jié)果與此相反。在低體積分?jǐn)?shù)時(shí)，熔敷層斷口表現(xiàn)為陶瓷顆粒與鎂合金AZ31基體界面脫粘，以及鎂合金AZ31基體的韌性斷裂，而陶瓷顆粒斷裂則較少。但當(dāng)體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，更多的是陶瓷顆粒斷裂。B<,4>Cp體積分?jǐn)?shù)為11％和7％的脈沖鎢極氬弧表面熔敷層σ<,UTS>與鎂合金AZ31母材的σ<,UTS>相比，分別提高了約14.8％和6.1％。

8、 當(dāng)陶瓷顆粒的顆粒尺寸相同時(shí)，脈沖鎢極氬弧表面熔敷層的相對磨阻RWR<,1.2>與陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)之比成正比；而當(dāng)陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)保持不變時(shí)，相對磨阻RWRl．2與顆粒尺寸之比的平方成反比，即符合如下關(guān)系式：RWR<,1.2>=(V<,1>/V<,2>)(G<,2>/G<,1>)<'2>。在室溫條件下(陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)為12％，顆粒尺寸為20μm，磨損時(shí)間為2.0h)，在磨損載荷為49N，98N和147N時(shí)，脈沖鎢極氬弧表面熔敷層

9、的磨損機(jī)制分別為：氧化磨損，層狀剝離磨損以及膠合磨損。而且所有的熔敷層的磨損速率均低于鎂合金AZ31母材的磨損速率。在高溫條件以及相同的磨損載荷下(200℃，磨損載荷為98N，磨損時(shí)間為1.0h)，熔敷層均具有比鎂合金AZ31母材優(yōu)異的高溫耐磨性。 在3.5％NaCl溶液中浸泡腐蝕失重試驗(yàn)結(jié)果表明，表面熔敷層比鎂合金AZ31母材的腐蝕速率要低，造成熔敷層腐蝕的主要原因是β相與鎂合金AZ31基體(α相)間的電偶腐蝕作用。熔敷層耐局

10、部腐蝕的能力要明顯好于鎂合金AZ31母材；AZ31母材的I<,corr>高于熔敷層的I<,corr>，AZ31母材比其熔敷層的E<,corr>負(fù)0.073-0.153V，而E<,pit>卻相差較小，陶瓷顆粒的存在并不明顯影響熔敷層的點(diǎn)蝕敏感性。熔敷層內(nèi)的晶粒得到顯著細(xì)化，大塊的β相也在熔池凝固的過程中得到分解和細(xì)化，鋁元素分布更加趨于均勻化，鋁元素在α相內(nèi)的固溶度在一定程度上有所提高，從而提高了α相的鈍性。在鎂合金表面熔敷層中，腐蝕電偶