極端冷卻速度下鎂合金表面改性的組織和性能研究

《極端冷卻速度下鎂合金表面改性的組織和性能研究》是依託太原理工大學，由王文先擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：極端冷卻速度下鎂合金表面改性的組織和性能研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王文先
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

基於輕質高強的優勢，鎂合金成為陸海空天交通運載裝備領域最具發展潛力的結構材料。但目前常規環境下製備的鎂合金材料耐蝕性低、耐磨性差及韌性小的劣勢，制約了其廣泛套用。本項目提出了半導體雷射高溫加熱(甚至重熔) 液氮深冷技術，對鎂合金材料表面進行改性處理。研究半導體雷射與鎂合金材料的作用機理，建立熱源和移動溫度場模型；研究極端冷卻速度下鎂合金材料的結晶機理、組織變化規律及溫度恢復過程的組織變化，改性層與基體界面組織形態，改性層非晶化行為；研究改性層室溫下的組織、化學及電化學腐蝕性能、耐磨性能、衝擊和斷裂韌性，以及改性層對鎂合金疲勞性能的影響；進一步研究改性層性能適應相應工況條件的能力和損傷機制，提出適合於鎂合金改性層的失效行為評定和壽命預測方法。研究成果有助於揭示極端溫度環境下鎂合金材料組織和性能，深化其金屬學理論，對改善鎂合金結構件表面性能及擴大鎂合金材料的套用具有一定科學意義和套用價值。

結題摘要

隨著製備技術的創新，鎂合金材料的強度不斷得到提高。但在常規環境下製備的鎂合金材料的耐蝕性、耐磨性及韌性仍然較差，制約著鎂合金材料的套用和發展。本項目意在採用雷射快速加熱+液氮快速及深冷技術，對鎂合金材料表面進行改性處理研究。 項目深入研究了常溫下雷射與鎂合金材料的作用和能量轉化機制，建立了雷射熱源對深冷鎂合金材料的加熱機制模型、快速冷卻模型和移動溫度場模型。深冷鎂合金材料對雷射的吸收比常溫鎂合金材料對雷射的吸收要低，雷射加熱和液氮深冷條件形成了目前材料加工方法中最快的冷卻速度。在雷射加熱•液氮冷卻的極端快速熔凝條件下，在鎂合金表面成功獲得了納米晶和非晶的混合組織的改性層，在深度方向上改性層的組織結構成梯度變化，依次為：納米晶層、亞微米晶層、過渡層。雷射加熱與液氮深冷相結合的方法，進一步加快了液-固界面溫度梯度和凝固速率，且改性層各個區域溫度梯度和冷卻速度不同，故距改性層表層越近晶粒越細小。由於溶質元素Al大部分固溶於α-Mg中，改性層中β-Mg17Al12比未處理鎂合金少得多。極端冷卻條件下獲得的鎂合金改性層的顯微硬度最高達148HV，約為基體的3倍。改性層的磨損形貌出現了表征磨粒磨損的磨脊和犁溝，極端冷卻條件下的表面磨損失量最小，說明該條件更有利於鎂合金表面磨損性能的提高。其表面力學性能的提高可歸結為納米細粒的彌散強化和局部區域非晶組織的形成。電化學腐蝕試驗結果表明：液氮冷卻改性層的腐蝕電位為-1439mV，比空氣冷卻熔凝層正移了26mV，比原始鎂合金正移124mV。其腐蝕性提高的原因主要有：固溶度的擴大導致鎂合金表面形成富鋁鈍化膜，增強了保護作用；局部區域非晶組織的形成以及第二相的彌散分布、晶粒細化減小陰陽極的接觸面積，從而降低腐蝕速率，使其耐蝕性提高。在此極端冷卻條件下，在鎂合金表面進行了異質材料的熔覆，如熔覆Al-Si基納米Si3N4，獲得了特有的複合塗層。該複合塗層的最高硬度為286HV，比基體提高5-6倍；其腐蝕電位為-1185mV，鎂合金表面的耐蝕性得到了極大改善。本項目提出的雷射高溫加熱•液氮深冷技術可以有效地提高鎂合金材料的表面綜合性能，為鎂合金材料製備和套用提供了一定的理論支持。共發表期刊論文12篇，申請國家發明專利4項，授權2項。