镁合金表面熔敷层的制备与性能研究

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1、上海交通大学博士学位论文镁合金表面熔敷层的制备与性能研究摘要镁合金是一种能够满足轻量化要求、发展前景极为乐观的轻质合金材料。与其他金属材料相比，镁合金具有密度小、高比刚度和比强度、阻尼减震性能好、良好的抗电磁干扰屏障以及易于机械加工等优点，在航空航天、汽车、电子、核工业、石油化工设备等领域有广泛的应用前景。但是，镁合金的强度和硬度较低，耐磨性和耐腐蚀性能较差，大大限制了其作为工程结构材料的应用范围。本论文建立了一种性能良好，经济实用，便于操作的镁合金表面改性工艺，即，将脉冲钨极氩弧熔敷技术引入到镁合金表面改性技术领域，采用交流脉冲钨极氩弧表面熔敷工艺在镁合金表面制备熔敷层。另外，采

2、用激光表面熔敷工艺在镁合金表面制备陶瓷颗粒增强熔敷层。本文选择广泛应用的镁合金7_．31为基体，陶瓷颗粒为其增强体。采用光学显微镜(OM)，扫描电镜(SEM)，能谱仪(EDS)，透射电镜(TEM)，电化学测试等分析手段，主要研究了表面SiCp，SiCp+AI，B4cp增强熔敷层的制备工艺以及表面熔敷层的微观组织对力学性能、磨损和腐蚀行为的影响。对陶瓷颗粒进入焊接熔池过程的两个阶段即陶瓷颗粒穿越熔池金属表面以及陶瓷颗粒在熔池内部的运动进行了数学分析，并尝试建立了一个简单的模型，分析了脉冲钨极氩弧表面熔敷层的形成机理。在合适的工艺参数下(脉冲钨极氩弧I-150A，v=200mm／min

3、，f=-$Hz；激光P=20．KW，v=12mm／s)所得到的熔敷层的宏观表面均匀整洁，无气孔、夹渣、弧坑等缺陷。在熔敷层内部获得了显著细化的等轴晶粒，脉冲钨极氩弧表面熔敷层和激光表面熔敷层内的晶粒尺寸最小分别达到9“m和4lain。这是由于多种驱动力(如，熔化金属的浮力和表面张力，电磁力，脉冲电弧吹力等)以及脉冲电流在熔池中产生剧烈搅拌的综合作用，在熔池内会出现强烈的对流和紊流。同时，由于试件被安装在导热良好的铜垫板上，试件表面与试件基体的边界之间存在较大的温度梯度，从而导致试件表面的熔池在较高的冷却速度下快速凝固。因此树枝晶破碎所需的时间较短，即在熔池金属全部凝固之前，树枝晶便

4、开始破碎，从而在熔敷层中获得显著细化的等轴晶粒。在钨极氩弧和激光表面熔敷层内，陶瓷颗粒与镁合金AZ31基体之间的界面处无缺陷，没有明显的反应物生成，陶瓷颗粒没有发生明显的熔化和分解现象，而且界面结合良好。熔敷层表面镁的含量有所降低，而铝含量有所增加，将有利于表面致密氧化膜的形成，对提高表面耐腐蚀性能和耐磨性能非常有利。与镁合金AZ31母材的硬度(约为55HV)相比，SiCp和B4Cp增强脉冲钨极氩弧表面熔敷层的硬度显著增加，约为120．160HV，激光表面熔敷层的硬度约摘要为150．185HV。表面熔敷层硬度的增加主要由于大量商硬度的陶瓷颗粒的存在，晶粒的细化以及大量细小的B相(M

5、gl7A1J2)均匀地分布在熔敷层内，从而有效地阻止了位错迁移和晶界滑移，限制了熔敷层的变形能力，提高了熔敷层的硬度。sicp增强脉冲钨极氢弧表面熔敷层的屈服强度匈．2、极限拉伸强度olyrs随着陶瓷颗粒体积分数的增加而升高，而且含有较小颗粒尺寸的siCD增强熔敷层的屈服强度00．2、极限拉伸强度饥rrs增强幅度大于含有较大颗粒尺寸的SiCp增强熔敷层，而延伸率试验结果与此相反。在低体积分数时，熔敷层断口表现为陶瓷颗粒与镁合金AZ31基体界面脱粘，以及镁合金AZ31基体的韧性断裂，而陶瓷颗粒断裂则较少。但当体积分数较高时，更多的是陶瓷颗粒断裂。B4Cp体积分数为11％和7％的脉冲钨

6、极氩弧表面熔敷层GU'I_s与镁合金AZ31母材的(ItYl'S相比，分别提高了约14．8*／ogl6．1％。当陶瓷颗粒的颗粒尺寸相同时，脉冲钨极氩弧表面熔敷层的相对磨阻RWRl2与陶瓷颗粒的体积分数之比成正比；而当陶瓷颓粒的体积分数保持不变时，相对磨阻RWRl．2与颗粒尺寸之比的平方成反比，即符合如下关系式；RWRl'2=(、，l／V2XG2／002。在室温条件下(陶瓷颗粒的体积分数为12％，颗粒尺寸为20lam，磨损时间为2．Oh)，在磨损载荷为49N，98N和147N时，脉冲钨极氩弧表面熔敷层的磨损机制分别为：氧化磨损，层状剥离磨损以及胶合磨损。而且所有的熔敷层的磨损速率均低

7、于镁合金AZ31母材的磨损速率。在高湿条件以及相同的磨损载荷下(200℃，磨损载荷为98N，磨损时间为1．0h)，熔敷层均具有比镁合金AZ31母材优异的高温耐磨性。在3．5％NaCI溶液中浸泡腐蚀失重试验结果表明，表面熔敷层比镁合金AZ31母材的腐蚀速率要低，造成熔敷层腐蚀的主要原因是p相与镁合金AZ31基体(a相)间的电偶腐蚀作用。熔敷层耐局部腐蚀的能力要明显好于镁合金AZ31母材；AZ31母材的Ico。高于熔敷层的k。AZ31母材比其熔敷层的E。负O．073．0．