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、高比剛度和比強度、阻尼減震性能好、良好的抗電磁干擾屏障以及易于機械加工等優(yōu)點，在航空航天、汽車、電子、核工業(yè)、石油化工設備等領(lǐng)域有廣泛的應用前景。但是，鎂合金的強度和硬度較低，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)材料的應用范圍。 本論文建立了一種性能良好，經(jīng)濟實用，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熔敷層。本文選擇廣泛應用的鎂合金AZ31為基體，陶瓷顆粒為其增強體。采用光學顯微鏡(OM)，掃描電鏡(SEM)，能譜儀(EDS)，透射電鏡(TEM)，電化學測試等分析手段，主要研究了表面SiCp，SiCp+Al，B<,4>Cp增強熔敷層的制備工藝以及表面熔敷層的微觀組織對力學性能、磨損和腐蝕行為

3、的影響。 對陶瓷顆粒進入焊接熔池過程的兩個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)部的運動進行了數(shù)學分析，并嘗試建立了一個簡單的模型，分析了脈沖鎢極氬弧表面熔敷層的形成機理。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到9μm和4μm。這是由于多種驅(qū)動力(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)會出現(xiàn)強烈的對流和紊流。同時，由于試件被安裝在導熱良好的銅墊板上，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，晶粒的細化以及大量細小的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增強脈沖鎢極氬弧表面熔敷層的屈服強度σ<,0.2>、極限拉伸強度σ<,UTS>隨著陶瓷顆粒體積分數(shù)的增加而升高，而且含有較小顆粒尺寸的SiCp增強熔敷層的屈服強度σ<

7、,0.2>、極限拉伸強度σ<,UTS>增強幅度大于含有較大顆粒尺寸的SiCp增強熔敷層，而延伸率試驗結(jié)果與此相反。在低體積分數(shù)時，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。但當體積分數(shù)較高時，更多的是陶瓷顆粒斷裂。B<,4>Cp體積分數(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、 當陶瓷顆粒的顆粒尺寸相同時，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數(shù)之比成正比；而當陶瓷顆粒的體積分數(shù)保持不變時，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(陶瓷顆粒的體積分數(shù)為12％，顆粒尺寸為20μm，磨損時間為2.0h)，在磨損載荷為49N，98N和147N時，脈沖鎢極氬弧表面熔敷層

9、的磨損機制分別為：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蝕敏感性。熔敷層內(nèi)的晶粒得到顯著細化，大塊的β相也在熔池凝固的過程中得到分解和細化，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