AM50镁合金表面激光改性研究

论文摘要

镁合金因储量丰富、密度小、比强度与比刚度高、良好的导热性与导电性等而被誉为21世纪理想的工程材料,但镁合金低的耐蚀、耐磨和力学性能制约了其性能优势的发挥,因此,采用表面改性技术以增强镁合金表面的化学和力学性能具有重要的现实意义。本文以AM50镁合金为研究对象,采用激光熔凝技术和激光冲击技术对其表面进行改性处理,从理论和实验上系统研究了激光熔凝层和激光冲击强化层的组织、性能及改性机理。采用CO2连续激光对镁合金表面进行了熔凝处理,研究了工艺方法和工艺参数以及工艺参数对熔凝组织和性能的影响,为镁合金表面激光熔凝改性技术的推广应用和工艺参数的合理选取奠定了基础。实验研究了激光熔凝组织和性能,并对激光熔凝层的强化机理进行了理论分析。激光熔凝组织得到高度细化,合金元素Al的固溶度增加,组织和成分分布更加均匀,β相的析出量有所增加且分布均匀弥散,熔凝层的硬度得到显著提高。理论分析表明,熔凝层的强化机制主要是细晶强化,此外合金元素Al固溶度的增加及β相的弥散析出也起着强化作用。实验研究了激光熔凝层的摩擦磨损和腐蚀特性,探讨了磨损及腐蚀机理。研究表明,激光表面熔凝使镁合金的耐磨和耐蚀性能有了较大幅度的提高。磨损的主要机制为磨粒磨损,此外还存在氧化磨损机制,激光熔凝层硬度的提高,增强了材料抵抗磨粒磨损的能力。激光熔凝层内晶粒尺寸的减小,β相的弥散分布,降低了β相与基相α构成的微电偶的活性,合金元素Al固溶度的增加使表面膜变得更加稳定,杂质元素固溶度的增加,减小了其对腐蚀的有害作用,激光熔凝使镁合金的耐蚀性能有了显著提高。首次开展了镁合金表面激光冲击改性技术研究,采用钕玻璃强脉冲激光对镁合金表面进行了冲击处理,研究了工艺方法和工艺参数及激光冲击强化层的组织、成分和性能。研究表明,材料表层受激光冲击波作用发生塑性变形产生较大幅度的残余压应力,靶材表面不平度增加,由于有能量吸收牺牲层的保护,表面没有灼伤痕迹,表面保留了良好的形貌且微观光洁度有所提高,材料表面的化学成分没有发生明显改变,也没有生成新的物相。激光冲击强化层内出现大量滑移线和孪晶,说明表层材料的塑性变形依赖于位错滑移和孪生的协调作用,由于孪晶穿越,位错密度增加,材料的强度和硬度得到提高。建立了激光冲击波加载下镁合金的有限元分析模型,探讨了高应变率条件下材料本构模型的建立、载荷施加、有限元分析方法等关键问题的处理。对激光冲击波压力的时空分布进行了理论分析,在此基础上对不同压力激光冲击波作用下的残余应力场进行了有限元分析,分析结果与实验测试结果吻合较好。透视有限元分析结果,为合理选择激光冲击参数,预测激光冲击产生的残余应力场提供了理论依据。实验研究了激光冲击改性层的摩擦磨损和腐蚀特性,探讨了磨损及腐蚀机理。研究表明,激光冲击并没有使镁合金的耐磨性能得到提高,反而略有降低。磨损的主要机制为磨粒磨损,此外还存在粘着磨损和氧化磨损机制。由于磨粒磨损中的犁沟作用本身就是强烈的冷作硬化过程,因此,使材料发生冷作硬化的激光冲击并不能使以磨粒磨损为主要机制的镁合金的耐磨性能得到提高,相反在激光诱导的强冲击波作用下,材料表面不平度增加,这反而使镁合金的耐磨性能略有降低。激光冲击使镁合金的耐蚀性能得到大幅提高,表层材料在激光冲击波作用下变得更加密实,消除了铸造缺陷孔隙对腐蚀的不利影响,激光冲击使表层材料内存在较大幅度的残余压应力,提高了材料表面的电化学稳定性和耐腐蚀性能,激光冲击使材料表面保留了良好的形貌并使微观光洁度有所提高,表面光洁度的提高有利于镁合金耐蚀性能的提高。激光表面熔凝和激光表面冲击是先进的表面改性技术,具有许多特出的优点,有望在镁合金的表面改性及推广镁合金的应用方面显示出强大的生命力,同时也为高速凝固下的材料组织和性能特性及高压高应变率下的材料行为特性的研究提供了新的方法和技术,因而具有重大的科学研究价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 镁合金的优点和应用
• 1.1.2 镁合金在应用中存在的问题
• 1.2 镁合金激光表面处理技术的研究概况
• 1.2.1 激光表面熔凝
• 1.2.2 激光表面合金化
• 1.2.3 激光表面复合强化
• 1.2.4 激光表面合金化+复合强化
• 1.2.5 激光表面熔敷及多层熔敷
• 1.3 镁合金表面激光冲击改性技术的提出
• 1.3.1 激光冲击技术的特点
• 1.3.2 激光冲击技术的应用概况
• 1.3.3 镁合金表面激光冲击改性的研究意义
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第二章 镁合金表面激光熔凝改性研究
• 2.1 实验材料及方法
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 激光熔凝实验方法
• 2.1.3 熔凝层组织与性能测试方法
• 2.2 熔凝层的组织、成分与物相
• 2.2.1 熔凝层的组织形貌
• 2.2.2 熔凝层的成分
• 2.2.3 熔凝层的物相分析
• 2.3 熔凝参数对熔凝层强化效果的影响
• 2.3.1 熔凝参数对熔凝组织的影响
• 2.3.2 熔凝参数对熔凝层硬度的影响
• 2.3.3 熔凝参数对熔凝层厚度的影响
• 2.3.4 激光熔凝强化机理分析
• 2.4 熔凝层的摩擦磨损特性
• 2.4.1 熔凝层的磨痕形貌及磨损量
• 2.4.2 熔凝层的摩擦系数曲线
• 2.4.3 熔凝层的磨损机理分析
• 2.5 熔凝层的腐蚀特性
• 2.5.1 浸泡腐蚀实验
• 2.5.2 电化学极化曲线测试
• 2.5.3 熔凝层的腐蚀机理分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 镁合金表面激光冲击实验
• 3.1 实验设备及方法
• 3.1.1 激光器
• 3.1.2 数控工作台
• 3.1.3 实验方法
• 3.1.4 实验结果
• 3.2 能量吸收牺牲层和约束层技术
• 3.2.1 能量吸收牺牲层的作用及厚度优选
• 3.2.2 约束层的作用及厚度优选
• 3.3 激光冲击波压力分析与计算
• 3.3.1 冲击波的峰值压力
• 3.3.2 冲击波压力随时间的变化
• 3.4 本章小结
• 第四章 激光冲击诱导的残余应力场分析
• 4.1 残余应力场的有限元分析
• 4.1.1 有限元模型的建立
• 4.1.2 计算结果与分析
• 4.2 残余应力的实验测试
• 4.2.1 测试设备及方法
• 4.2.2 残余应力测试结果
• 4.2.3 激光冲击区显微硬度分布
• 4.3 残余应力场的形成机理分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 激光冲击对镁合金表面性能的影响
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 激光冲击实验
• 5.1.2 激光冲击区表面形貌、组织及物相分析实验
• 5.1.3 摩擦磨损实验
• 5.1.4 腐蚀性能测试实验
• 5.2 激光冲击区表面形貌、组织及物相分析
• 5.2.1 表面形貌
• 5.2.2 微观组织
• 5.2.3 物相分析
• 5.3 激光冲击强化层的摩擦磨损特性
• 5.3.1 磨痕形貌及磨损量
• 5.3.2 摩擦系数曲线
• 5.3.3 磨损机理分析
• 5.4 激光冲击区的腐蚀特性
• 5.4.1 盐雾腐蚀实验
• 5.4.2 电化学极化曲线测试
• 5.4.3 腐蚀机理分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
• 主要参考文献
• 攻读博士学位期间的科研成果
• 致谢