快速冷却下镁合金激光表面改性行为研究

摘要

镁及镁合金材料以其低密度、高比强度、高比刚度、可循环再利用等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，在交通运载、电子产品等领域受到极大关注及应用。但较差的常温力学性能、表面耐蚀和耐磨性能，限制了它的更广泛发展和应用。有着“未来制造系统共同的加工手段”之称的激光，用于镁合金材料的表面改性处理，具有能量密度高、可控性好、节省能源且几乎不产生环境污染的优势，是理想的镁合金表面改性方法之一。
　　本文在讨论激光与镁合金材料相互作用的基础上，利用波长10.6μm的高功率CO2气体激光器对AZ31B镁合金进行激光表面改性，在不同的冷却介质中分别对其进行表面激光熔凝和激光熔覆，对比分析和研究了改性层的微观组织结构和表面性能，以此为依据探讨了镁合金激光表面改性的微观组织演变和改性机制。
　　为研究镁合金熔滴的凝固结晶行为，进行了镁合金熔滴在不同介质中冷却凝固的试验研究。结果表明，分别在氩气、水、淬火油和液氮中冷却，镁合金颗粒的晶粒逐渐减小，β-Mg17Al12的含量逐渐降低。微观组织结构的差别造成镁合金的硬度不同，在氩气、水、淬火油和液氮中冷却的镁合金颗粒的显微硬度分别为53.7HV、56.0HV、60.1HV和73.2HV，液氮冷却介质的镁合金颗粒的显微硬度分别是其它三种的1.36倍、1.31倍和1.22倍。
　　为探究快速冷却下镁合金激光表面改性的凝固结晶行为，在氩气和液氮两种冷却介质中分别进行了激光表面熔凝处理。氩气冷却熔凝层（简记为CAL）和液氮冷却熔凝层（简记为CLNL）的最大熔深分别约为580μm和230μm。熔融的镁合金沿着与热流相反的方向以联生方式结晶凝固，从熔凝区横截面的底部至表层，以树枝晶方式生长，枝晶间距逐渐减小，表层结晶组织生长方向紊乱。但是CLNL的晶粒更加细小，中上部晶粒大小较均匀，且周期性凝固组织更明显。原始镁合金、CAL和CLNL的平均晶粒大小分别约58.7μm、10.8μm和5.1μm。熔凝层和原始镁合金都由α-Mg和β-Mg17Al12组成，更快速冷却凝固的CLNL的β-Mg17Al12含量最少。析出相的分布和形态也不同，原始镁合金中析出相存在晶界和晶内，而在CAL和CLNL中析出相主要出现在晶内，析出相在这三种材料中形态的分别为类球状、棒状和条状。CLNL的局部发现了纳米晶和非晶的混合结构。
　　镁合金激光熔凝后，表面显微硬度、耐磨性和耐蚀性都得到提高，尤以CLNL的改善程度最好。CLNL和CAL的平均显微硬度分别是原始镁合金的2.98倍和1.54倍。在2N载荷作用下摩擦20min后，原始镁合金、CAL和CLNL的磨损失量分别为10mg、8mg和5mg。电化学腐蚀表明，CLNL的腐蚀电位比原始镁合金和CAL分别正移了133mV和7mV，腐蚀电流密度分别降低了2个数量级和1个数量级，平均腐蚀速率是原始镁合金和CAL的0.37倍和0.78倍。
　　将液氮低温冷却用于镁合金表面激光熔覆，开发了一种用于镁合金激光熔覆的新熔覆材料——Al-Si合金和Si3N4陶瓷的复合粉。Si3N4陶瓷在高能激光作用下发生分解，并与Al-Si合金以及基体表层的Mg相互作用，形成了由Al、AlN、Al9Si、Mg2Si组成的熔覆层。熔覆层的显微硬度比镁合金基体提高了6.69倍，自腐蚀电位正移了365mV，腐蚀电流密度降低了大约两个数量级。
　　在以上研究基础上，分析了镁合金激光表面改性的凝固结晶行为、组织演变机理及改性机制。镁合金与激光的相互作用过程中，表层镁合金熔化，同时在热过冷作用下，熔池逐渐凝固并以基体未熔晶粒表面为基进行非自发形核结晶长大。改性层中的晶核最终长大为柱状树枝晶组织，生长方向的汇聚以及热流扰动导致局部区域出现周期性凝固组织。晶粒细化、位错密度提高以及固溶度提高对镁合金激光表面改性层性能的改善起着极其重要的积极作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 镁及镁合金的应用

1．1．2 镁及镁合金的特点

1．1．3 镁合金表面改性的必要性

1．2 镁合金材料表面改性的研究进展

1．2．1 电化学方法

1．2．2 气相沉积方法

1．2．3 表面涂层方法

1．2．4 激光表面处理

1．3 镁合金激光表面改性的研究进展

1．3．1 镁合金激光表面改性

1．3．2 镁合金激光表面改性的快速凝固理论

1．3．3 镁合金激光表面改性的研究进展

1．4 本文研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 激光与镁合金的作用机理

2．1 引言

2．2 镁合金激光表面改性的特征

2．3 镁合金对激光的反射与吸收

2．4 激光与镁合金作用的能量转换

2．5 激光作用于镁合金的热源模型及温度分布

2．6 激光加热作用下镁合金的热力学行为

2．6．1 热作用下的表面效应

2．6．2 热作用下的粒子扩散

2．6．3 热作用下的界面运动和界面稳定性

2．7 本章小结

第三章 不同冷却介质中镁合金熔体的结晶凝固行为

3．1 引言

3．2 镁合金在不同冷却介质中的熔化凝固试验

3．2．1 试验材料

3．2．2 试验方法

3．3 镁合金熔滴的微观组织分析

3．3．1 不同冷却介质中的镁合金熔滴的微观组织

3．3．2 不同冷却介质中的镁合金熔滴的物相分析

3．4 镁合金熔滴的显微硬度分析

3．5 本章小结

第四章 氩气冷却下的镁合金激光表面熔凝行为的研究

4．1 引言

4．2 试验材料及方法

4．2．1 试验材料

4．2．2 试验设备及方法

4．3 熔凝层(CAL)的宏观形貌

4．3．1 熔凝层(CAL)的宏观形貌

4．3．2 工艺参数对熔凝层(CAL)宏观尺寸的影响

4．4 熔凝层(CAL)的微观组织演变

4．4．1 熔凝层(CAL)的微观组织结构

4．4．2 熔凝层(CAL)的物相

4．4．3 熔凝层(CAL)的缺陷

4．5 熔凝层(CAL)的表面性能研究

4．5．1 显微硬度分析

4．5．2 磨损性能分析

4．5．3 腐蚀性能分析

4．6 本章小结

第五章 激光·液氮作用下的镁合金表面熔凝行为研究

5．1 引言

5．2 试验材料及方法

5．2．1 试验材料

5．2．2 试验设备及方法

5．3 熔凝层(CLNL)的组织行为研究

5．3．1 熔凝层(CLNL)的宏观形貌

5．3．2 熔凝层(CLNL)的微观组织结构

5．3．3 熔凝层(CLNL)的物相

5．4 熔凝层(CLNL)的表面性能研究

5．4．1 显微硬度分析

5．4．2 磨损性能分析

5．4．3 腐蚀性能分析

5．4．4 断裂特性分析

5．5 本章小结

第六章 激光·液氮作用下的镁合金表面熔覆异质材料的探索

6．1 引言

6．2 试验材料及方法

6．2．1 试验材料

6．2．2 试验方法

6．3 熔覆层的宏观形貌

6．4 熔覆层的组织行为研究

6．4．1 熔覆层的显微组织

6．4．2 熔覆层的物相分析

6．5 熔覆层的表面性能研究

6．5．1 显微硬度分析

6．5．2 腐蚀性能分析

6．6 本章小结

第七章 镁合金激光表面改性机理探讨

7．1 引言

7．2 改性层的熔池凝固行为及微观组织演变机理

7．2．1 熔池的凝固行为

7．2．2 微观组织演变

7．3 改性层的改性机制

7．3．1 晶粒细化

7．3．2 位错运动

7．3．3 固溶强化

7．4 本章小结

第八章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及科研成果

博士学位论文独创性说明及改进建议