AZ31镁合金表面合金化热扩散层与铸渗层的研究

发布时间：2021-03-23 10:03

镁合金具有质量轻、比强度和比刚度高、导热性能及铸造性能好等杰出特性,是工程应用中最轻的金属结构材料,满足了汽车制造、航空航天及国防科技等领域结构轻量化的需求。然而,镁合金的化学性质活泼、硬度低、耐腐蚀性和耐磨损性差等问题成为阻碍其更广泛应用的重要因素。在镁合金表面制备合金化层是解决镁合金表面性能差的有效方法之一。因此,对AZ31镁合金表面合金化层与扩散层的组织及性能研究具有重要的理论意义和实用价值。本文依据扩散机制及扩散规律,采用Fick第二定律建立了扩散过程中扩散金属元素的浓度分布方程,并利用Arrhenius公式得到了扩散系数与扩散激活能、温度之间的关系,计算了不同温度时Al、Zn元素在纯镁中的扩散系数。确定了Al、Zn元素的浓度分布与加热温度的关系及界面扩散距离与保温时间的关系。计算结果表明,Al、Zn元素的扩散系数均随加热温度的升高而增大,扩散界面距离随温度升高和扩散时间延长而增加。使用金属铝与金属镁试样加热到430℃,观测到扩散前期(30 min)扩散界面变化显著,Al向镁基体内部渗入速率较快;保温时间为60 min的扩散界面变化基本稳定;从60 min至120 min界面的扩散速率减缓。实验中Al元素在镁基体中的浓度逐渐减小,并在Al、Mg的扩散界面处检测到Mg17Al12、Mg2Al3等铝镁金属间化合物及α-Mg固溶体。Zn元素在镁基体中扩散实验表明加热温度升高,界面扩散距离增大,扩散速率也加快。锌镁扩散层中生成了Mg7Zn3和Mg Zn相,α-Mg+Mg Zn相以片层结构沿镁的晶界向镁基体中伸入。采用热扩散技术在AZ31镁合金表面制备了锌铝合金层。根据实验结果与计算数据的分析,确定了360℃的加热温度和60 min的保温时间为最佳扩散工艺参数。加工后的锌铝合金层和镁合金基体的组织结构与相组成未发生改变。锌铝合金层与镁合金基材之间形成了明显的扩散层,并有Mg7Zn3和Mg Zn等新相生成,说明扩散层的形成主要是通过Zn、Mg元素扩散和反应完成的。扩散层中的显微硬度升高到167 HV,锌铝合金层的显微硬度为115 HV,相比于镁合金基体硬度有较大提高。加热温度为360℃,保温60 min的扩散层试样剪切强度最高,平均值达到49.26 MPa,表明镁基体与锌铝合金层的结合方式为冶金结合。而加热温度过低,扩散层中有缝隙和孔洞;加热温度过高,剪切强度降低,断裂形式为脆性断裂,断口中出现裂纹。锌铝合金中的Al元素含量达到40 wt.%(质量百分比)并加入微量(0.1 wt.%)的稀土La元素后,锌铝镧合金的晶粒得到细化。锌铝镧合金扩散层中存在Mg17Al12、Mg2Al3、Mg7Zn3、Mg Zn2及Al11La3相,增加了扩散层的硬度和界面剪切强度,起到强化作用。扩散温度升高,锌铝镧合金扩散层中金属间化合物增多,硬度升高,但剪切强度由于脆性相的增加而降低。应用铸渗工艺在镁合金表面直接生成了锌铝合金层。浇注温度过高,铸渗层中反应生成的金属间化合物较多,镁合金基体组织受到的影响较大,铸渗层硬度大,剪切强度降低,断口处出现大量脆性组织;浇注温度过低,镁金属熔液中的扩散能量不足,Mg、Al、Zn元素的渗透量较少,铸渗层未完全形成,锌铝合金层与镁基体界面的剪切强度降低。635℃浇注的试样铸渗层结合较好,剪切强度为23.63 MPa。铸渗层中有Mg2Al3、Mg17Al12及Mg Zn2相,镁锌金属间化合物Mg Zn2相集中分布在铸渗层的细小蜂窝状结构内;铝镁金属间化合物相则分布在整个铸渗层中,α-Mg+β-Mg17Al12片层状结构沿镁基体相的边界分布。浇注温度为635℃的铸渗层显微硬度与620℃的相近,但小于650℃的铸渗层最大硬度。对比AZ31镁合金基体、热扩散锌铝合金层及锌铝镧合金层的电化学腐蚀实验结果,极化曲线图表明镁基体的腐蚀电位最低,为-1.5947 V,并且没有出现钝化区;锌铝合金热扩散层的腐蚀电位上升到-1.0829 V,锌铝镧合金扩散层腐蚀电位进一步升高到-1.0496 V,并且都出现明显的钝化区,耐腐蚀性能提高。摩擦磨损实验后的热扩散锌铝合金层、锌铝镧合金层试样及表面铸渗锌铝合金层试样的磨损失重非常小,与AZ31镁合金基体的磨损性能相比,耐磨损性能有极大提高。镁合金基体的磨损形貌图中出现了较宽的犁沟,并伴有撕裂的碎屑,受磨损程度比较严重。热扩散锌铝合金层与铸渗锌铝合金层的磨损形貌中的磨损沟痕较浅,无撕裂碎屑迹象,只有细小的硬质颗粒。热扩散锌铝镧合金层中受损程度更小,只有少量的刮痕出现。基于电化学腐蚀实验和表面磨损实验的结果,镁合金表面热扩散锌铝、锌铝镧合金层及铸渗锌铝合金层都能够有效地改善耐腐蚀与耐磨损性能,为扩大镁合金的应用范围提供有力的依据。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4

文章目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 镁合金的特性及性能

1.2.1 镁的基本特性

1.2.2 镁及镁合金的资源和价格优势

1.2.3 镁合金的优异性能

1.3 镁合金的应用

1.3.1 镁合金在汽车工业中的应用

1.3.2 镁合金在电子工业中的应用

1.3.3 镁合金在航空航天工业中的应用

1.3.4 镁合金在生物有机体内的应用

1.4 镁合金的制约因素及发展方向

1.4.1 限制镁合金的发展因素

1.4.2 镁合金的发展方向

1.5 镁合金表面处理技术的研究进展

1.5.1 电化学镀

1.5.2 化学转化膜

1.5.3 有机涂层

1.5.4 阳极氧化技术

1.5.5 气相沉积技术

1.5.6 喷涂技术

1.5.7 激光表面改性技术

1.5.8 离子注入技术

1.5.9 表面扩渗合金化技术

1.6 金属扩散技术在材料加工中的研究与进展

1.6.1 扩散在镁合金连接技术中的应用及进展

1.6.2 表面铸渗工艺的发展与应用

1.7 本文主要研究内容

第2章实验内容与方法

2.1 实验路线

2.2 实验材料

2.2.1 基体材料

2.2.2 异种金属扩散实验材料

2.2.3 合金层材料

2.2.4 稀土合金层材料

2.3 实验设备与工艺

2.3.1 异种金属间扩散实验的设备与工艺

2.3.2 热扩散锌铝合金层的实验设备与工艺

2.3.3 镁合金表面铸渗层实验的设备与工艺

2.4 试样制备

2.4.1 异种金属扩散试样

2.4.2 热扩散锌铝合金层试样的制备

2.4.3 表面铸渗层

2.5 实验方法

2.5.1 锌、铝元素扩散界面变化

2.5.2 实验试样的显微组织分析

2.5.3 微观组织结构

2.5.4 化学成分分析

2.5.5 物相分析

2.6 性能测试

2.6.1 显微硬度

2.6.2 剪切试验

2.6.3 摩擦磨损性能

2.6.4 腐蚀性能

第3章异种金属与金属镁的扩散机理

3.1 引言

3.2 扩散的基本规律

3.2.1 扩散简介

3.2.2 Fick定律

3.2.3 扩散机制

3.2.4 扩散类型

3.2.5 扩散层形成条件

3.2.6 扩散层形成过程

3.2.7 原子运动与扩散的相关公式

3.3 金属铝与镁扩散的分析

3.3.1 Al元素在镁基体中的扩散系数

3.3.2 纯铝在镁基体中扩散的计算

3.3.3 金属铝与金属镁的扩散实验

3.3.4 铝在镁基体中扩散机理的分析

3.4 金属锌与镁扩散实验的分析

3.4.1 Zn元素在镁中的扩散系数

3.4.2 纯锌在镁基体中扩散的计算

3.4.3 金属锌与镁的扩散实验

3.4.4 锌在镁基体中扩散机理的分析

3.5 铝、锌元素在镁基体中扩散的比对

3.5.1 扩散温度的影响

3.5.2 扩散时间的影响

3.5.3 扩散界面的硬度

3.6 本章小结

第4章镁合金表面热扩散锌铝合金层

4.1 引言

4.2 锌铝合金层热扩散参数的优化

4.2.1 加热温度对扩散层厚度的影响

4.2.2 扩散层厚度与扩散时间的关系

4.3 锌铝合金扩散层的微观组织结构

4.3.1 扩散层的横截面形貌

4.3.2 扩散层的微观组织

4.3.3 扩散层厚度的分析

4.4 热扩散层的性能

4.4.1 扩散层的显微硬度

4.4.2 扩散层剪切性能

4.5 锌铝合金层的耐腐蚀性能

4.6 本章小结

第5章镁合金表面合金化层添加稀土镧的研究

5.1 引言

5.2 热扩散锌铝镧合金化层的微观组织

5.2.1 锌铝镧合金的组织形貌

5.2.2 锌铝镧合金扩散层的组织结构

5.3 加热温度对锌铝镧合金扩散层微观组织的影响

5.4 锌铝镧合金扩散层的性能

5.4.1 扩散层的显微硬度

5.4.2 扩散层的剪切强度

5.5 锌铝镧合金扩散层的耐腐蚀性能

5.6 本章小结

第6章镁合金铸渗合金层的研究与锌铝合金层的磨损性能

6.1 引言

6.2 镁合金铸渗锌铝合金层横截面微观组织的特点

6.2.1 浇注工艺参数优化

6.2.2 铸渗层界面的组织结构

6.3 镁合金铸渗锌铝合金层的性能

6.3.1 显微硬度

6.3.2 剪切强度

6.4 镁合金表面合金化层的磨损性能

6.4.1 磨损实验的方法与过程

6.4.2 磨损实验结果

6.5 本章小结

第7章结论

参考文献

攻读学位期间所取得的科研成果

致谢

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