AZ91HP镁合金激光表面改性研究

论文摘要

镁合金因其密度小、比强度与比刚度高、良好的导热性与导电性而被誉为21世纪理想的工程材料。但镁合金低的耐蚀性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化学和力学性能具有重要的现实意义，为此本文以AZ91HP镁合金为研究对象，采用激光熔凝技术、激光熔覆技术提高镁合金表面性能。较为系统地研究了熔凝层，低熔点Al合金涂层、Cu58.1Zr35.9Al6非晶涂层及高熔点Al2O3陶瓷涂层组织、性能特征及其随激光工艺参数的变化规律，以期使镁合金表面改性技术的研究更为深入。 镁合金表面激光熔凝研究表明，在低能量密度下，熔凝层组织主要是由分布于α-Mg枝晶间的板条状β-Mg17Al12所构成，且随激光功率增加，β-Mg17Al12相的相对含量增加。由于细晶强化和金属间化合物沉淀强化作用，使熔凝层的硬度、耐磨性和耐蚀性得到显著提高；而在高能量密度下，尽管熔凝层组织仍由α-Mg树枝晶和β-Mg17Al12金属间化合物所构成，但由于晶粒尺寸的增加，致使其表面改性效果较低能量密度下的改性效果低。 在镁合金激光熔覆低熔点Al-Si和Al-Cu共晶合金涂层中，由于镁合金基体的稀释作用，使涂层中形成了多种镁金属间化合物。对于激光熔覆Al-Si合金涂层，当激光功率为3kW和3.5kW时，熔覆层组织为黑区基体Mg17Al12上分布的树枝晶Mg2Si和少量白针状的Mg2Al3（Hex）金属间化合物。除上述三种金属间化合物外，由于镁稀释率的差异，激光功率为2.5kW的涂层中还形成了大量花瓣状的Mg2Al3（Fcc），激光功率为4kW的涂层出现了α-Mg固溶体。激光熔覆Al-Cu合金涂层主要由深色网状AlMg相包围的等轴晶Mg17Al12，以及随激光功率增加所形成的不同种Cu金属间化合物所组成。在细晶强化和多种镁金属间化合物沉淀强化的复合作用下，Al-Si和Al-Cu合金涂层均展示优异的耐磨蚀性。 在采用团簇线判据优化设计Cu-Zr-Al非晶合金成分的基础上，利用激光熔覆技术在镁合金表面制备了低熔点的Cu58.1Zr35.9Al6非晶涂层。研究结果表明，涂层是由非晶、Cu8Zr3和Cu10Zr7相所组成。通过X射线峰位分离计算表明，在激光功率一定的条件下，随扫描速度增加，涂层冷却速率增大、稀释度降低，致使合金涂层中非晶相的相对含量上升，其最高可达60.56％；而在扫描速度一定的条件下，由于受涂层稀释率和冷却速率的综合影响，致使合金涂层中非晶相的相对含量与激光功率之间存在最佳匹配关系，即在激光功率为4.0kW时达到最大值（约为50％）。由于非晶和微晶的复合增强作用，非晶复合涂层较激光熔覆低熔点的Mg、Al基合金涂层具有较

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 镁合金的特点和应用
• 1.2 镁合金应用存在的主要问题
• 1.3 镁合金表面处理研究现状
• 1.3.1 化学表面处理
• 1.3.2 镀层处理
• 1.3.3 机械表面处理
• 1.4 镁合金激光表面处理研究现状
• 1.4.1 激光表面熔凝
• 1.4.2 激光表面合金化
• 1.4.3 激光表面熔覆
• 1.4.4 激光表面熔覆非晶涂层
• 1.4.5 激光表面熔覆陶瓷涂层
• 1.5 本论文的立题依据及研究内容
• 2 镁合金激光熔凝处理
• 2.1 实验方法
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 激光熔凝实验
• 2.1.3 组织分析方法
• 2.1.4 性能分析方法
• 2）熔凝层组织、性能分析'>2.2 低激光能量密度下（13-33J/mm²）熔凝层组织、性能分析
• 2.2.1 熔凝层组织分析
• 2.2.2 激光功率对熔凝层组织的影响
• 2.2.3 激光功率对熔凝层性能的影响
• 2）熔凝层组织、性能分析'>2.3 高激光能量密度下（133-333J/mm²）熔凝层组织、性能分析
• 2.3.1 激光扫描速度对熔凝层组织的影响
• 2.3.2 激光扫描速度对熔凝层硬度的影响
• 2.3.3 激光扫描速度对熔凝层磨损特性的影响
• 2.3.4 激光扫描速度对熔凝层腐蚀特性的影响
• 2.4 高、低激光能量密度下熔凝层组织、性能比较
• 2.5 本章小结
• 3 镁合金激光熔覆低熔点Al合金涂层
• 3.1 激光熔覆Al-Si合金涂层
• 3.1.1 实验材料及方法
• 3.1.2 涂层组织分析
• 3.1.3 结合区和热影响区组织分析
• 3.1.4 激光功率对涂层组织的影响
• 3.1.5 激光功率对涂层性能的影响
• 3.2 激光熔覆Al-Cu合金涂层
• 3.2.1 实验材料及方法
• 3.2.2 涂层组织分析
• 3.2.3 激光功率对涂层组织的影响
• 3.2.4 激光功率对涂层性能的影响
• 3.3 本章小结
• 4 镁合金激光熔覆低熔点Cu-Zr-Al非晶合金涂层
• 4.1 实验材料及方法
• 4.1.1 熔覆材料成分设计及制备
• 4.1.2 激光熔覆实验
• 4.2 涂层组织分析
• 4.3 激光工艺参数对涂层组织的影响
• 4.3.1 激光功率对涂层非晶含量的影响
• 4.3.2 激光扫描速度对涂层非晶含量的影响
• 4.4 激光工艺参数对涂层性能的影响
• 4.4.1 激光扫描速度对涂层硬度和弹性模量的影响
• 4.4.2 激光扫描速度对涂层耐磨性的影响
• 4.4.3 激光扫描速度对涂层耐蚀性的影响
• 4.5 本章小结
• 2O₃陶瓷涂层'>5 镁合金激光熔覆高熔点Al₂O₃陶瓷涂层
• 5.1 实验材料及方法
• 5.2 激光熔覆陶瓷涂层温度场模拟
• 5.2.1 温度场模拟方法
• 5.2.2 温度场模拟结果
• 5.3 等离子喷涂陶瓷涂层和激光熔覆陶瓷涂层组织分析
• 5.3.1 等离子喷涂陶瓷涂层组织分析
• 5.3.2 激光熔覆陶瓷涂层组织分析
• 5.4 等离子喷涂陶瓷涂层和激光熔覆陶瓷涂层性能分析
• 5.4.1 硬度分析
• 5.4.2 耐磨性分析
• 5.4.3 耐蚀性分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书