镁合金激光冲击植入纳米SiC颗粒工艺与性能研究

发布时间：2017-09-20 01:15

  本文关键词：镁合金激光冲击植入纳米SiC颗粒工艺与性能研究

  更多相关文章： 激光冲击强化 纳米颗粒 微观形貌 显微硬度 耐磨性 有限元模拟

【摘要】：镁合金由于其比重轻、比强度高等特点而被广泛应用于航空航天、汽车、电子等制造领域,但是其表面强度和硬度较低、耐磨性能较差,严重阻碍了其工程应用,提高轻合金表面性能成为结构件制造中的关键问题之一。纳米颗粒材料由于其特殊的结构和优异的性能而被广泛应用于材料涂层的制备。激光冲击强化技术作为一种新型表面处理技术,具有高压、高能、超快、超高应变率等显著特点,其产生的强冲击波可以作为粒子植入的能量。结合上述特点,本文利用激光冲击强化技术将纳米碳化硅颗粒植入AM50镁合金表面,研究和分析植入后金属表面与截面显微硬度以及摩擦磨损性能,并利用ABAQUS有限元软件模拟分析激光冲击植入纳米颗粒的动态运动以及二次冲击纳米颗粒间能量传递和运动过程,获得了如下结论和主要研究进展:(1)表征镁合金激光冲击植入纳米颗粒后的表面与截面形貌,获得纳米颗粒尺寸对颗粒含量的影响规律;采用12 J单脉冲激光能量冲击植入尺寸分别为60 nm、100 nm、200 nm的碳化硅颗粒,并观察冲击后表面及截面形貌。结果表明,激光冲击强化技术能够有效植入纳米碳化硅颗粒并对纳米颗粒的团聚现象起到一定的分散作用。激光冲击植入不同尺寸的纳米碳化硅颗粒时,植入60 nm碳化硅颗粒的基体表层单位面积纳米颗粒的含量较多,但激光冲击植入100 nm和200 nm的碳化硅颗粒时,激光冲击使得纳米碳化硅颗粒具有更好的分散性,颗粒分布更加均匀,团聚现象更少。(2)研究激光冲击植入纳米颗粒后基体的显微硬度和摩擦磨损性能,并解释激光冲击SiC纳米颗粒植入后镁合金抗磨损性能提高的作用机制;激光冲击植入纳米颗粒的基体表面显微硬度为91.7 HV,相对于原始试样提高了39.2%,相对于单纯激光冲击基体提高了21.1%;激光冲击植入纳米碳化硅颗粒试样组的摩擦系数低于激光冲击组和原始试样组;激光冲击植入纳米颗粒过程中,激光冲击波在基体表面不仅诱导产生了残余压应力,同时细化基体表层晶粒,而且硬质相SiC颗粒在激光冲击作用下被植入基体表层,植入纳米颗粒的试样磨损量体积约为12.85×10-3 mm3,仅为原始基体磨损体积的13.9%,说明激光冲击植入纳米颗粒能够有效提高基体的显微硬度和耐磨损性能。(3)模拟分析镁合金激光冲击植入SiC纳米颗粒的动态运动过程,推导SiC纳米颗粒激光冲击植入深度表达式。在激光冲击植入纳米颗粒动态运动过程中,纳米颗粒运动分散,并随着时间的增加形成增强相表面形貌;随着激光冲击脉冲能量的增加,纳米颗粒深度增加,并伴随更大的塑性变形;二次冲击增加纳米颗粒植入的深度,使得植入颗粒更加分散。类比高速侵彻体对介质的侵彻,推导出一次冲击以及二次冲击纳米颗粒植入最大理论深度表达式,与实验值进行对比,并分析存在误差的可能原因。综上所述,本文研究首先为轻合金表面制备涂层提供了一种新方法,为深入了解镁合金激光冲击植入纳米颗粒的性能改善提供了参考,并为了解激光冲击植入纳米颗粒动态运动过程及植入深度提供了可供参考的分析与理论依据。
【关键词】：激光冲击强化 纳米颗粒 微观形貌 显微硬度 耐磨性 有限元模拟
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG178;TG665
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究背景11
• 1.2 纳米颗粒涂层制备方法11-14
• 1.3 激光技术制备纳米涂层14-17
• 1.4 激光冲击波植入纳米颗粒的研究现状、存在的问题17-19
• 1.5 本文的研究意义及主要研究内容19-20
• 1.5.1 研究意义19-20
• 1.5.2 主要研究内容20
• 本文研究内容得到以下基金资助20-21
• 第二章 镁合金表面激光冲击植入纳米SiC理论研究21-27
• 2.1 激光冲击强化技术21-22
• 2.1.1 激光冲击波的形成21-22
• 2.1.2 激光冲击强化模型22
• 2.2 激光冲击形成冲击波的力学效应22-23
• 2.3 激光冲击植入纳米颗粒运动方程23-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 镁合金激光冲击植入纳米SiC颗粒实验研究27-43
• 3.1 激光冲击植入纳米颗粒实验27-31
• 3.1.1 实验过程概述27
• 3.1.2 实验设备及实验材料27-29
• 3.1.3 试样制备29-30
• 3.1.4 激光冲击植入实验方案30-31
• 3.2 激光冲击植入后试样形貌及能谱分析31-38
• 3.2.1 激光冲击植入试样形貌分析32-35
• 3.2.2 激光冲击植入不同尺寸纳米SiC颗粒形貌分析35-38
• 3.3 激光冲击植入纳米SiC主要影响因素分析38-40
• 3.4 激光冲击植入纳米颗粒过程及机理分析40-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第四章 镁合金激光冲击植入纳米SiC颗粒性能测试43-54
• 4.1 显微硬度测试分析43-46
• 4.1.1 实验设备及方法43-44
• 4.1.2 显微硬度测试结果分析44-46
• 4.2 摩擦磨损测试分析46-53
• 4.2.1 实验设备及方法46-47
• 4.2.2 摩擦磨损测试结果分析47-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第五章 镁合金激光冲击植入纳米SiC颗粒有限元模拟54-71
• 5.1 激光冲击植入纳米碳化硅颗粒有限元模型的建立54-58
• 5.2 有限元数值模拟结果58-64
• 5.2.1 纳米颗粒动态运动过程58-59
• 5.2.2 不同激光能量对激光冲击植入的影响59
• 5.2.3 二次激光冲击植入纳米颗粒速度模拟59-62
• 5.2.4 二次激光冲击对激光冲击植入的影响62-64
• 5.3 激光冲击植入纳米颗粒理论深度模型64-69
• 5.3.1 一次激光冲击植入纳米颗粒深度模型64-67
• 5.3.2 二次激光冲击植入纳米颗粒深度模型67-69
• 5.4 本章小结69-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-79
• 致谢79-80
• 攻读硕士学位期间科研情况80-81
• 图表清单81-83

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本文编号：885032