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基本信息

項目名稱：
鎂合金激光表面改性的組織與性能研究
小類：
能源化工
簡介：
本項目在于建立一種經(jīng)濟(jì)實用、便于操作的鎂合金表面改性工藝，以期提高鎂合金的表面的硬度、耐磨性和耐蝕性。首次在鎂合金表面利用大功率CO2氣體激光器制備高熔點的無裂紋和氣孔等缺陷的Ni60合金涂層。通過OM、XRD分析了熔覆層的微觀組織，并利用電化學(xué)腐蝕設(shè)備、磨損試驗機(jī)測試了熔覆層的耐蝕性和耐磨性。結(jié)果表明，熔覆層的顯微硬度、耐磨性和耐腐蝕性能都得到了極大提高。
詳細(xì)介紹：
鎂合金是目前結(jié)構(gòu)材料中密度最小的金屬材料，具有比強(qiáng)度高、比剛度大、吸震性能好、尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)等諸多優(yōu)點。在能源、資源和環(huán)境問題特別突出的當(dāng)代，鎂合金材料已成為繼鋼鐵、鋁材料之后第三大金屬工程材料，成為21世紀(jì)具有發(fā)展?jié)撃艿沫h(huán)保節(jié)能型結(jié)構(gòu)材料。在目前常規(guī)條件下制備的鎂合金材料，其高溫強(qiáng)度、韌度、耐腐蝕和耐磨性還是較差，直接影響到鎂合金材料的廣泛應(yīng)用。 在許多情況下，結(jié)構(gòu)件的表面性能決定了其整體性能，如：耐蝕、耐磨等性能只依賴于結(jié)構(gòu)件的表面材料狀態(tài)，而這些表面性能恰恰是制約鎂合金材料實際應(yīng)用的瓶頸問題。在現(xiàn)有常規(guī)條件下還不能制備出較高綜合性能鎂合金材料的情況下，采用表面改性的方法提高鎂合金材料表面性能是擴(kuò)大其應(yīng)用的有效途徑之一。 本項目在于建立一種經(jīng)濟(jì)實用、便于操作的鎂合金表面改性工藝，以期提高鎂合金的表面的硬度、耐磨性和耐蝕性。首次在鎂合金表面利用大功率CO2氣體激光器制備高熔點的無裂紋和氣孔等缺陷的Ni60合金涂層。通過OM、XRD分析了熔覆層的微觀組織，并利用電化學(xué)腐蝕設(shè)備、磨損試驗機(jī)測試了熔覆層的耐蝕性和耐磨性。 結(jié)果表明：Ｎｉ基合金熔覆層與基體形成了良好的冶金結(jié)合，熔覆層物相由Mg和多種金屬間化合物MgNi2、Mg2Ni、Mg2Ni3Si、Mg2Si、FeNi等組成，呈現(xiàn)Ni60合金的典型的樹枝晶形態(tài)；熔覆層的顯微硬度為470~601HV0.2，比基體提高了550~560%；熔覆層的平均摩擦系數(shù)比AZ31B鎂合金基材降低了0.058，耐磨性顯著提高。熔覆層的腐蝕電位為1308mV，比AZ31B鎂合金基體（1542 mV）正移了251mV，自腐蝕電流比基體降低約2~3個數(shù)量級，耐腐蝕性能得到極大的提高。

作品圖片

  • 鎂合金激光表面改性的組織與性能研究
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  • 鎂合金激光表面改性的組織與性能研究
  • 鎂合金激光表面改性的組織與性能研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

耐蝕性低、耐磨性差，已成為制約鎂合金廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。本課題利用CO2激光器，對其進(jìn)行表面改性，以期提高其表面耐蝕性和耐磨性。研究CO2氣體激光與鎂合金的作用機(jī)理，急冷急熱條件下鎂合金的結(jié)晶機(jī)理、組織變化規(guī)律、界面組織形態(tài)，從而分析改性層的耐腐蝕性、顯微硬度和耐磨性能。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處

將越來越受到廣泛關(guān)注的先進(jìn)加工技術(shù)激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于鎂合金材料表面改性，研究激光束與鎂合金材料的作用機(jī)理。實現(xiàn)對鎂合金材料的局部表面改性，首次選取了以良好的浸潤性、耐蝕性、耐磨性、高溫自潤滑作用和適中的價格在激光熔覆技術(shù)中用得使最為廣泛的高熔點的鎳基合金作為鎂合金激光表面改性的材料，在鎂合金表面制備高熔點的鎳基合金涂層，實現(xiàn)了鎂合金表面或局部區(qū)域具備較高的硬度、耐磨性和耐蝕性。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

許多情況下，結(jié)構(gòu)件的表面性能決定了其整體性能，如：耐蝕、耐磨等性能只依賴于結(jié)構(gòu)件的表面材料狀態(tài)，而這些表面性能恰恰是制約鎂合金材料實際應(yīng)用的瓶頸問題。而且在實際應(yīng)用中，鎂合金零部件只需要其表面或局部區(qū)域具有優(yōu)良的性能。本文采用21世紀(jì)的先進(jìn)技術(shù)——激光表面改性來對鎂合金表面進(jìn)行處理，提高鎂合金材料的表面性能，這是擴(kuò)大其應(yīng)用的有效途徑之一。

學(xué)術(shù)論文摘要

鎂合金是目前結(jié)構(gòu)材料中密度最小的金屬材料，在目前常規(guī)條件下制備的鎂合金材料，其高溫強(qiáng)度、韌度、耐腐蝕和耐磨性還是較差，直接影響到鎂合金材料的廣泛應(yīng)用。在許多情況下，結(jié)構(gòu)件的表面性能決定了其整體性能，而這些表面性能恰恰是制約鎂合金材料實際應(yīng)用的瓶頸問題。在現(xiàn)有常規(guī)條件下還不能制備出較高綜合性能鎂合金材料的情況下，采用表面改性的方法提高鎂合金材料表面性能是擴(kuò)大其應(yīng)用的有效途徑之一。 本項目在于建立一種經(jīng)濟(jì)實用、便于操作的鎂合金表面改性工藝，以期提高鎂合金的表面的硬度、耐磨性和耐蝕性。首次在鎂合金表面利用大功率CO2氣體激光器制備高熔點的無裂紋和氣孔等缺陷的Ni60合金涂層。Ni基合金熔覆層與基體形成了良好的冶金結(jié)合，熔覆層物相由Mg和多種金屬間化合物組成，呈現(xiàn)Ni60合金的典型的樹枝晶形態(tài)；熔覆層的顯微硬度為470~601HV0.2，比基體提高了550~560%；平均摩擦系數(shù)比基材降低了0.058，耐磨性顯著提高。熔覆層的腐蝕電位為1308mV，比鎂合金基體（1542 mV）正移了251mV，自腐蝕電流比基體降低約2~3個數(shù)量級，耐腐蝕性能得到極大的提高。

獲獎情況

葛亞瓊等.AZ31B鎂合金激光表面熔覆Al層組織與性能研究[J].材料科學(xué)與工藝,2009,17:108-112(該論文參加2009年第一屆先進(jìn)材料連接高層論壇，獲優(yōu)秀獎) 葛亞瓊等.鎂合金激光加工技術(shù)的研究[J].機(jī)械工程與自動化, 2008, 6: 120-122

鑒定結(jié)果

熔覆層的顯微硬度比基體提高了550~560%，平均摩擦系數(shù)比基材降低了0.058，耐磨性顯著提高。自腐蝕電流比基體降低約2~3個數(shù)量級，耐腐蝕性能得到極大的提高。

參考文獻(xiàn)

劉正, 張奎, 曾小勤. 鎂基輕質(zhì)合金理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002 丁文斌. 鎂合金表面熔覆層的制備與性能研究[D]. 上海交通大學(xué), 2007 左鐵釧等. 21世紀(jì)的先進(jìn)制造——激光技術(shù)與工程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007 高亞麗. AZ91HP鎂合金激光表面改性[D]. 大連理工大學(xué), 2007

同類課題研究水平概述

激光表面處理技術(shù)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一種材料表面改性技術(shù)。近年來，隨著激光表面改性技術(shù)的不斷完善，其在鎂合金表面耐蝕性、耐磨性等方面的應(yīng)用越來越受到國內(nèi)外研究者的重視。 美國的Ghazanfar Abbas等利用1.5kW的半導(dǎo)體激光器對AZ31和AZ61鎂合金進(jìn)行表面熔凝處理，AZ31的硬度由基體的65HV提高到熔凝層的120HV，AZ61的硬度由基體的70HV提高到熔凝層的140HV，且磨損量都降低了一半，提高了耐磨性。法國的Sorin Ignat等利用3kW的Nd:YAG激光器在WE43和ZE41表面制備了Al熔覆層，發(fā)現(xiàn)在熔覆層的收尾部分比開始部分的氣孔少，而且由于熔覆層中形成了Al3Mg2和Al12Mg17，熔覆層的顯微硬度由60HV提高到了200HV。 基于資源優(yōu)勢，中國在鎂合金激光改性方面的研究得到較快的發(fā)展。大連理工大學(xué)三束材料改性國家重點實驗室的高亞麗等利用800W的CO2激光器在真空條件下對10mm厚的AZ91HP鎂合金進(jìn)行了激光熔凝處理。由于細(xì)晶強(qiáng)化和金屬間化合物的沉淀強(qiáng)化作用，熔凝層的硬度、耐磨性和耐蝕性得到顯著提高。武漢科技大學(xué)的陳長軍等使用5kW的CO2激光對在ZM5上預(yù)置不同厚度的Al-Y粉末進(jìn)行激光合金化。激光合金化后，對涂層的顯微結(jié)構(gòu)和顯微硬度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，涂層的相組成為Mg17Al12、Al2Y、Al和Mg。當(dāng)粉末預(yù)置厚度增加時，合金化層中的Al2Y比例增加，Mg17Al12比例隨之減少。合金化層的硬度可達(dá)到250～325 HV，而基材的硬度僅為80～100HV。同基材相比，激光處理后的涂層耐蝕性得到顯著提高。華中科技大學(xué)的黃開金等為了提高鎂合金的磨損性能，采用3.5kW激光器在AZ91D鎂合金表面熔覆了Zr-Cu-Ni-Al/TiC復(fù)合粉末，制備出TiC和原位合成ZrC共同增強(qiáng)的Zr基非晶復(fù)合涂層。研究結(jié)果表明，熔覆層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性；且隨著TiC含量的增加，耐磨性得到進(jìn)一步的提高。最近兩年，研究者們又進(jìn)一步發(fā)展了在鎂合金基體上熔覆稀土的研究。通過激光表面改性來改善鎂合金服役性能是一個重要的手段，將會成為鎂合金研究的重要方向之一，但這方面的工作，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)做得不夠。
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