基本信息
- 项目名称：
- 镁合金激光表面改性的组织与性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目在于建立一种经济实用、便于操作的镁合金表面改性工艺，以期提高镁合金的表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。首次在镁合金表面利用大功率CO2气体激光器制备高熔点的无裂纹和气孔等缺陷的Ni60合金涂层。通过OM、XRD分析了熔覆层的微观组织，并利用电化学腐蚀设备、磨损试验机测试了熔覆层的耐蚀性和耐磨性。结果表明，熔覆层的显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性能都得到了极大提高。
- 详细介绍：
- 镁合金是目前结构材料中密度最小的金属材料，具有比强度高、比刚度大、吸震性能好、尺寸稳定性强等诸多优点。在能源、资源和环境问题特别突出的当代，镁合金材料已成为继钢铁、铝材料之后第三大金属工程材料，成为21世纪具有发展潜能的环保节能型结构材料。在目前常规条件下制备的镁合金材料，其高温强度、韧度、耐腐蚀和耐磨性还是较差，直接影响到镁合金材料的广泛应用。 在许多情况下，结构件的表面性能决定了其整体性能，如：耐蚀、耐磨等性能只依赖于结构件的表面材料状态，而这些表面性能恰恰是制约镁合金材料实际应用的瓶颈问题。在现有常规条件下还不能制备出较高综合性能镁合金材料的情况下，采用表面改性的方法提高镁合金材料表面性能是扩大其应用的有效途径之一。 本项目在于建立一种经济实用、便于操作的镁合金表面改性工艺，以期提高镁合金的表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。首次在镁合金表面利用大功率CO2气体激光器制备高熔点的无裂纹和气孔等缺陷的Ni60合金涂层。通过OM、XRD分析了熔覆层的微观组织，并利用电化学腐蚀设备、磨损试验机测试了熔覆层的耐蚀性和耐磨性。 结果表明：Ｎｉ基合金熔覆层与基体形成了良好的冶金结合，熔覆层物相由Mg和多种金属间化合物MgNi2、Mg2Ni、Mg2Ni3Si、Mg2Si、FeNi等组成，呈现Ni60合金的典型的树枝晶形态；熔覆层的显微硬度为470~601HV0.2，比基体提高了550~560%；熔覆层的平均摩擦系数比AZ31B镁合金基材降低了0.058，耐磨性显著提高。熔覆层的腐蚀电位为1308mV，比AZ31B镁合金基体（1542 mV）正移了251mV，自腐蚀电流比基体降低约2~3个数量级，耐腐蚀性能得到极大的提高。
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撰写目的和基本思路
- 耐蚀性低、耐磨性差，已成为制约镁合金广泛应用的瓶颈之一。本课题利用CO2激光器，对其进行表面改性，以期提高其表面耐蚀性和耐磨性。研究CO2气体激光与镁合金的作用机理，急冷急热条件下镁合金的结晶机理、组织变化规律、界面组织形态，从而分析改性层的耐腐蚀性、显微硬度和耐磨性能。
科学性、先进性及独特之处
- 将越来越受到广泛关注的先进加工技术激光熔覆技术应用于镁合金材料表面改性，研究激光束与镁合金材料的作用机理。实现对镁合金材料的局部表面改性，首次选取了以良好的浸润性、耐蚀性、耐磨性、高温自润滑作用和适中的价格在激光熔覆技术中用得使最为广泛的高熔点的镍基合金作为镁合金激光表面改性的材料，在镁合金表面制备高熔点的镍基合金涂层，实现了镁合金表面或局部区域具备较高的硬度、耐磨性和耐蚀性。
应用价值和现实意义
- 许多情况下，结构件的表面性能决定了其整体性能，如：耐蚀、耐磨等性能只依赖于结构件的表面材料状态，而这些表面性能恰恰是制约镁合金材料实际应用的瓶颈问题。而且在实际应用中，镁合金零部件只需要其表面或局部区域具有优良的性能。本文采用21世纪的先进技术——激光表面改性来对镁合金表面进行处理，提高镁合金材料的表面性能，这是扩大其应用的有效途径之一。
学术论文摘要
- 镁合金是目前结构材料中密度最小的金属材料，在目前常规条件下制备的镁合金材料，其高温强度、韧度、耐腐蚀和耐磨性还是较差，直接影响到镁合金材料的广泛应用。在许多情况下，结构件的表面性能决定了其整体性能，而这些表面性能恰恰是制约镁合金材料实际应用的瓶颈问题。在现有常规条件下还不能制备出较高综合性能镁合金材料的情况下，采用表面改性的方法提高镁合金材料表面性能是扩大其应用的有效途径之一。 本项目在于建立一种经济实用、便于操作的镁合金表面改性工艺，以期提高镁合金的表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。首次在镁合金表面利用大功率CO2气体激光器制备高熔点的无裂纹和气孔等缺陷的Ni60合金涂层。Ni基合金熔覆层与基体形成了良好的冶金结合，熔覆层物相由Mg和多种金属间化合物组成，呈现Ni60合金的典型的树枝晶形态；熔覆层的显微硬度为470~601HV0.2，比基体提高了550~560%；平均摩擦系数比基材降低了0.058，耐磨性显著提高。熔覆层的腐蚀电位为1308mV，比镁合金基体（1542 mV）正移了251mV，自腐蚀电流比基体降低约2~3个数量级，耐腐蚀性能得到极大的提高。
获奖情况
- 葛亚琼等.AZ31B镁合金激光表面熔覆Al层组织与性能研究[J].材料科学与工艺,2009,17:108-112(该论文参加2009年第一届先进材料连接高层论坛，获优秀奖) 葛亚琼等.镁合金激光加工技术的研究[J].机械工程与自动化, 2008, 6: 120-122
鉴定结果
- 熔覆层的显微硬度比基体提高了550~560%，平均摩擦系数比基材降低了0.058，耐磨性显著提高。自腐蚀电流比基体降低约2~3个数量级，耐腐蚀性能得到极大的提高。
参考文献
- 刘正, 张奎, 曾小勤. 镁基轻质合金理论基础及其应用[M]. 机械工业出版社, 2002 丁文斌. 镁合金表面熔覆层的制备与性能研究[D]. 上海交通大学, 2007 左铁钏等. 21世纪的先进制造——激光技术与工程[M]. 北京: 科学出版社, 2007 高亚丽. AZ91HP镁合金激光表面改性[D]. 大连理工大学, 2007
同类课题研究水平概述
- 激光表面处理技术是近几十年来迅速发展起来的一种材料表面改性技术。近年来，随着激光表面改性技术的不断完善，其在镁合金表面耐蚀性、耐磨性等方面的应用越来越受到国内外研究者的重视。 美国的Ghazanfar Abbas等利用1.5kW的半导体激光器对AZ31和AZ61镁合金进行表面熔凝处理，AZ31的硬度由基体的65HV提高到熔凝层的120HV，AZ61的硬度由基体的70HV提高到熔凝层的140HV，且磨损量都降低了一半，提高了耐磨性。法国的Sorin Ignat等利用3kW的Nd:YAG激光器在WE43和ZE41表面制备了Al熔覆层，发现在熔覆层的收尾部分比开始部分的气孔少，而且由于熔覆层中形成了Al3Mg2和Al12Mg17，熔覆层的显微硬度由60HV提高到了200HV。 基于资源优势，中国在镁合金激光改性方面的研究得到较快的发展。大连理工大学三束材料改性国家重点实验室的高亚丽等利用800W的CO2激光器在真空条件下对10mm厚的AZ91HP镁合金进行了激光熔凝处理。由于细晶强化和金属间化合物的沉淀强化作用，熔凝层的硬度、耐磨性和耐蚀性得到显著提高。武汉科技大学的陈长军等使用5kW的CO2激光对在ZM5上预置不同厚度的Al-Y粉末进行激光合金化。激光合金化后，对涂层的显微结构和显微硬度进行了研究。结果表明，涂层的相组成为Mg17Al12、Al2Y、Al和Mg。当粉末预置厚度增加时，合金化层中的Al2Y比例增加，Mg17Al12比例随之减少。合金化层的硬度可达到250～325 HV，而基材的硬度仅为80～100HV。同基材相比，激光处理后的涂层耐蚀性得到显著提高。华中科技大学的黄开金等为了提高镁合金的磨损性能，采用3.5kW激光器在AZ91D镁合金表面熔覆了Zr-Cu-Ni-Al/TiC复合粉末，制备出TiC和原位合成ZrC共同增强的Zr基非晶复合涂层。研究结果表明，熔覆层表现出优异的耐磨性；且随着TiC含量的增加，耐磨性得到进一步的提高。最近两年，研究者们又进一步发展了在镁合金基体上熔覆稀土的研究。通过激光表面改性来改善镁合金服役性能是一个重要的手段，将会成为镁合金研究的重要方向之一，但这方面的工作，还远远做得不够。
