鎂及鎂合金表面原位合金化研究.pdf

1、在表面機械研磨(surface mechanical attrition treatment，SMAT)過程中，彈丸沖擊金屬表面，在高應(yīng)變速率、重復(fù)變形作用下，可在金屬表面制備一定厚度的納米晶層，表層存在高體積分?jǐn)?shù)的非平衡晶界、高密度位錯、空位等大量的晶體缺陷，為元素的快速擴散提供理想通道。機械合金化(Mechanical Alloying，MA)則通過高能球磨使粉體經(jīng)受反復(fù)的變形、冷焊和破碎發(fā)生擴散和固態(tài)反應(yīng)，實現(xiàn)兩種或多種元素的合金

2、化。本論文結(jié)合SMAT和MA的工藝特點，通過在SMAT過程中添加粉體，在彈丸不斷沖擊試樣表面過程中同步實現(xiàn)材料表面的納米化和元素擴散合金化，在基材表面原位生成金屬間化合物。
　　 本文在純鎂及AZ91D基體SMAT過程中分別添加Ni粉、Ni3Al粉和Al粉，利用金相顯微鏡、X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、顯微硬度儀、電化學(xué)工作站等分析測試方法，對處理不同時間后材料的組織結(jié)構(gòu)、形貌、物相組成、硬度和耐蝕性等進(jìn)行分

3、析，從熱力學(xué)方面對元素在基體中的擴散行為、合金化機理進(jìn)行了討論和計算。
　　 得到以下主要結(jié)論:
　　 (1)在純鎂SMAT過程中添加Ni粉，研磨處理120min，在純鎂表面形成平均厚度約70μm的鎳層，次表層形成平均厚度約30μm的鎂鎳合金層，合金相主要由Mg2Ni金屬間化合物組成，晶粒細(xì)化和金屬間化合物的形成使合金層的顯微硬度較基體顯著提高，但晶界的增多和Mg2Ni相的形成使材料的耐腐蝕性降低。
　　 (2)

4、在AZ91D、純鎂SMAT過程中加入Ni3Al粉，研磨處理240min，在純鎂表面形成由Mg2Ni相組成的平均厚度約36μm的合金層，在AZ91D表面形成由Al2Mg和Mg2Ni混合相組成的平均厚度約35μm的合金層，處理后材料的硬度均有不同程度的提高，耐腐蝕性有所降低。
　　 (3)在純鎂SMAT過程中添加鋁粉及加入Zn和AlCl3/NaCl熔鹽輔助滲劑后，SMAT時間從120min延長至加入輔助滲劑后的180min、300m

5、in，在純鎂表面沒有形成連續(xù)的鎂鋁擴散層，大部分鋁只是壓延于鎂基體表面，只有極少部分的鋁和基體焊合，材料表面焊合反應(yīng)部位在低溫環(huán)境下(360℃)可以實現(xiàn)鋁在基體中的深度擴散。
　　 (4)合金相的形成機制為:“表面納米化+同步擴散傳質(zhì)”，即在晶粒細(xì)化、晶界和各種缺陷（空位、位錯）增多的同時，進(jìn)行元素的擴散。在SMAT過程中，高體積分?jǐn)?shù)的晶界和缺陷為元素的短路擴散提供通道，高能撞擊不斷出現(xiàn)新的界面，加快了滲劑與基體的焊合和擴散，材

6、料吸收撞擊能量，高的應(yīng)變能降低了體系的反應(yīng)激活能和原子遷移能壘，彈丸碰撞產(chǎn)熱和反應(yīng)熱，使材料表面溫度升高，加快了原子的擴散，促進(jìn)了新相的形成。
　　 (5)采用鋁粉及加入輔助滲劑沒有形成連續(xù)的鎂鋁擴散的原因為:在彈丸的高速多反向沖擊作用下，鋁粉發(fā)生了團(tuán)聚，被碾壓成片狀，難以鑲嵌于鎂基體，缺少形成滲層的滲劑元素;鋅粉的加入可以使鋁粉不再粘接成片狀，但不能使材料表面鋁含量增加;AlCl3/NaCl可以大幅增加材料表面的鋁的含量，但S