強(qiáng)流脈沖電子束AZ91鎂合金表面改性組織及性能研究.pdf

1、鎂合金作為最輕的商用金屬材料，具有密度低、比強(qiáng)度高和優(yōu)良的阻尼減震、電磁屏蔽和鑄造成型等性能，受到航空、汽車和電子等行業(yè)的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是鋁合金的潛在替代者，然而現(xiàn)有鎂合金較差的耐腐蝕和耐磨損能力使其應(yīng)用受到了嚴(yán)重制約。強(qiáng)流脈沖電子束是近年來新興的材料表面改性技術(shù)，它是利用電子束短脈沖、高能密沉積引發(fā)材料表層的快速熔凝與熱應(yīng)力沖擊作用，實(shí)現(xiàn)組織細(xì)化和成分均勻化效應(yīng)，進(jìn)而改善材料表面的物理化學(xué)性能。已有研究表明，強(qiáng)流脈沖電子束表面改性可

2、以提高鎂合金的表面性能，然而對于不同強(qiáng)流脈沖電子束處理?xiàng)l件下的顯微組織演變特點(diǎn)，以及相應(yīng)的表面性能變化機(jī)制仍有待深入研究。
　　本文選用工業(yè)廣泛使用的AZ91鎂合金作為實(shí)驗(yàn)材料（包括鑄造態(tài)和軋制態(tài)原始組織），通過調(diào)整現(xiàn)有強(qiáng)流脈沖電子束工作參數(shù)，包括加速電壓和脈沖處理次數(shù)，開展表面改性系列實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分析AZ91鎂合金樣品表層顯微組織、相結(jié)構(gòu)、成分分布和表面性能演變規(guī)律，得到主要研究結(jié)果如下:
　　AZ91鑄造鎂合金經(jīng)強(qiáng)流脈沖電

3、子束表面改性后，鎂合金表面首先出現(xiàn)凝固起伏形貌，并伴有大量燒蝕坑的產(chǎn)生，隨著轟擊脈沖次數(shù)的增加，改性表面逐漸平滑，直至燒蝕坑被完全修復(fù)。使用27 kV時，8次脈沖可使表面大部分燒蝕坑得到修復(fù)，而23.4 kV改性時，表面燒蝕現(xiàn)象總體較弱，3次脈沖后表面即趨于平滑。強(qiáng)流脈沖電子束改性后，鎂合金表層晶粒顯著細(xì)化，由原始150～200μm的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)?0～70 nm的等軸納米組織，改性表層發(fā)生亞穩(wěn)相變，α-Mg轉(zhuǎn)變?yōu)楹珹l較高的六方亞穩(wěn)相。

4、27 kV-15次脈沖處理后，生成鎂合金中含Al量最高的六方亞穩(wěn)相Mg3.1 Al0.9,而23.4 kV-30次脈沖轟擊后，鎂合金表面主要由α-Mg與六方亞穩(wěn)相共同組成。
　　AZ91軋制鎂合金經(jīng)強(qiáng)流脈沖電子束表面改性后，鎂合金表面同時出現(xiàn)燒蝕與熔坑噴發(fā)作用。使用較少脈沖時，表面燒蝕坑主要集中在晶界處，熔坑噴發(fā)現(xiàn)象集中在α-Mg晶粒內(nèi)部，繼續(xù)增加脈沖次數(shù)，表面燒蝕坑呈現(xiàn)高密度分布，熔坑數(shù)量則明顯減少且尺寸急劇增大。對AZ91軋制

5、鎂合金進(jìn)行固溶處理后，表面燒蝕坑密度顯著降低。強(qiáng)流脈沖電子束改性后，AZ91軋制鎂合金亦發(fā)生明顯晶粒細(xì)化，由20～40μm的等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)椤?0 nm的納米晶體。與AZ91鑄造鎂合金不同，軋制鎂合金未發(fā)生亞穩(wěn)相變，只有在引入固溶處理后，使用27 kV時，15次脈沖時才發(fā)生亞穩(wěn)相變，鎂合金表面主要由α-Mg與六方亞穩(wěn)相共同組成。
　　強(qiáng)流脈沖電子束表面改性過程中，AZ91鑄造鎂合金表面Al元素增加主要通過表層選擇蒸發(fā)與Mg17Al12

6、相熔解擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。表面燒蝕對Al元素增加帶來不利影響，8次脈沖轟擊后表面燒蝕減弱，鎂合金表面Al元素快速增加，形成連續(xù)的Al元素富集層，開始觸發(fā)亞穩(wěn)相變，而在27 kV-15次脈沖處理后，表層Al元素富集更為明顯且分布均勻，形成了由Mg3.1Al0.9亞穩(wěn)相與網(wǎng)狀Mg17Al12相組成的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。使用23.4 kV時，由于選擇蒸發(fā)效應(yīng)較弱，30次脈沖處理表面只能形成由六方亞穩(wěn)相、α-Mg與Mg17Al12相組成的網(wǎng)狀復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。

7、r>　　對于AZ91軋制鎂合金，表面Al元素增加主要通過選擇蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)。由于無法有效控制表面燒蝕，經(jīng)過30次脈沖處理后，Al元素含量稍有增加，表面生成α-Mg與Mg17Al12相組成的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，而在引入固溶處理后，燒蝕得到有效控制，表面形成由α-Mg、六方亞穩(wěn)相與Mg17Al12相組成的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。
　　強(qiáng)流脈沖電子束表面改性可有效提高鎂合金的摩擦磨損性能，AZ91鑄造鎂合金的磨損速率由原始0.01126 mm3/m降到0.0

8、0173 mm3/m，僅為改性前的16％。AZ91軋制鎂合金的摩擦磨損性能亦得到明顯提升，磨損速率降為改性前的47％。
　　強(qiáng)流脈沖電子束表面改性可有效提高鎂合金耐腐蝕性能，電化學(xué)測試表明，AZ91鑄造鎂合金的陰極腐蝕電流降低約2個數(shù)量級，而AZ91軋制鎂合金的陰極腐蝕電流降幅也超過一個數(shù)量級。浸蝕實(shí)驗(yàn)顯示，強(qiáng)流脈沖電子束制備的表面復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，可以通過壓縮第二相間隙空間抑制周圍基相的腐蝕擴(kuò)展，將點(diǎn)蝕控制在萌生階段，在3.5 wt