强流脉冲电子束AZ91镁合金表面改性组织及性能研究

发布时间：2018-02-28 20:40

本文关键词： 强流脉冲电子束 AZ91镁合金表面改性纳米复合组织耐腐蚀性能　出处：《大连理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：镁合金作为最轻的商用金属材料,具有密度低、比强度高和优良的阻尼减震、电磁屏蔽和铸造成型等性能,受到航空、汽车和电子等行业的广泛关注,被认为是铝合金的潜在替代者,然而现有镁合金较差的耐腐蚀和耐磨损能力使其应用受到了严重制约。强流脉冲电子束是近年来新兴的材料表面改性技术,它是利用电子束短脉冲、高能密沉积引发材料表层的快速熔凝与热应力冲击作用,实现组织细化和成分均匀化效应,进而改善材料表面的物理化学性能。已有研究表明,强流脉冲电子束表面改性可以提高镁合金的表面性能,然而对于不同强流脉冲电子束处理条件下的显微组织演变特点,以及相应的表面性能变化机制仍有待深入研究。本文选用工业广泛使用的AZ91镁合金作为实验材料(包括铸造态和轧制态原始组织),通过调整现有强流脉冲电子束工作参数,包括加速电压和脉冲处理次数,开展表面改性系列实验,系统分析AZ91镁合金样品表层显微组织、相结构、成分分布和表面性能演变规律,得到主要研究结果如下：AZ91铸造镁合金经强流脉冲电子束表面改性后,镁合金表面首先出现凝固起伏形貌,并伴有大量烧蚀坑的产生,随着轰击脉冲次数的增加,改性表面逐渐平滑,直至烧蚀坑被完全修复。使用27 kV时,8次脉冲可使表面大部分烧蚀坑得到修复,而23.4 kV改性时,表面烧蚀现象总体较弱,3次脉冲后表面即趋于平滑。强流脉冲电子束改性后,镁合金表层晶粒显著细化,由原始150～200μm的树枝晶转变为50～70 nm的等轴纳米组织,改性表层发生亚稳相变,α-Mg转变为含Al较高的六方亚稳相。27 kV-15次脉冲处理后,生成镁合金中含Al量最高的六方亚稳相Mg3.1Al0.9,而23.4 kV-30次脉冲轰击后,镁合金表面主要由α-Mg与六方亚稳相共同组成。AZ91轧制镁合金经强流脉冲电子束表面改性后,镁合金表面同时出现烧蚀与熔坑喷发作用。使用较少脉冲时,表面烧蚀坑主要集中在晶界处,熔坑喷发现象集中在α-Mg晶粒内部,继续增加脉冲次数,表面烧蚀坑呈现高密度分布,熔坑数量则明显减少且尺寸急剧增大。对AZ91轧制镁合金进行固溶处理后,表面烧蚀坑密度显著降低。强流脉冲电子束改性后,AZ91轧制镁合金亦发生明显晶粒细化,由20～40 μm的等轴晶转变为～50 nm的纳米晶体。与AZ91铸造镁合金不同,轧制镁合金未发生亚稳相变,只有在引入固溶处理后,使用27 kV时,15次脉冲时才发生亚稳相变,镁合金表面主要由α-Mg与六方亚稳相共同组成。强流脉冲电子束表面改性过程中,AZ91铸造镁合金表面Al元素增加主要通过表层选择蒸发与Mg17Al12相熔解扩散实现。表面烧蚀对Al元素增加带来不利影响,8次脉冲轰击后表面烧蚀减弱,镁合金表面Al元素快速增加,形成连续的Al元素富集层,开始触发亚稳相变,而在27 kV-15次脉冲处理后,表层A1元素富集更为明显且分布均匀,形成了由Mg31Alo 9亚稳相与网状Mg17Al12相组成的复合纳米结构。使用23.4 kV时,由于选择蒸发效应较弱,30次脉冲处理表面只能形成由六方亚稳相、α-Mg与Mg17Al12相组成的网状复合纳米结构。对于AZ91轧制镁合金,表面A1元素增加主要通过选择蒸发实现。由于无法有效控制表面烧蚀,经过30次脉冲处理后,Al元素含量稍有增加,表面生成α-Mg与Mg17Al12相组成的复合纳米结构,而在引入固溶处理后,烧蚀得到有效控制,表面形成由α-Mg、六方亚稳相与Mg17Al12相组成的复合纳米结构。强流脉冲电子束表面改性可有效提高镁合金的摩擦磨损性能,AZ91铸造镁合金的磨损速率由原始0.01126 mm3/m降到0.00173 mm3/m,仅为改性前的16%。AZ91轧制镁合金的摩擦磨损性能亦得到明显提升,磨损速率降为改性前的47%。强流脉冲电子束表面改性可有效提高镁合金耐腐蚀性能,电化学测试表明,AZ91铸造镁合金的阴极腐蚀电流降低约2个数量级,而AZ91轧制镁合金的阴极腐蚀电流降幅也超过一个数量级。浸蚀实验显示,强流脉冲电子束制备的表面复合纳米结构,可以通过压缩第二相间隙空间抑制周围基相的腐蚀扩展,将点蚀控制在萌生阶段,在3.5wt.%NaCl溶液中浸蚀72小时后,27 kV-15次处理铸造镁合金表面大部分保持完好,仅发生局部点蚀,而原始铸造镁合金则发生严重的腐蚀失效。
[Abstract]:The microstructure , phase structure , composition distribution and surface property evolution of AZ91 magnesium alloy are studied . The surface ablation of AZ91 - cast magnesium alloy has been carried out by selective evaporation . The surface ablation of AZ91 - cast magnesium alloy is obviously improved . The surface modification of AZ91 - cast magnesium alloy is obviously improved . The surface modification of AZ91 - cast magnesium alloy is obviously improved . The majority of the surface of the cast magnesium alloy treated by 27 kV - 15 treatments remained intact , only local pitting occurred , while the original cast magnesium alloy had serious corrosion failure .

【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG178

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