（材料加工工程专业论文）镁合金表面熔敷层的制备与性能研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 镁合金表面熔敷层的制备与性能研究 摘要 镁合金是一种能够满足轻量化要求、发展前景极为乐观的轻质合金材料。与 其他金属材料相比，镁合金具有密度小、高比刚度和比强度、阻尼减震性能好、 良好的抗电磁干扰屏障以及易于机械加工等优点，在航空航天、汽车、电子、核 工业、石油化工设备等领域有广泛的应用前景。但是，镁合金的强度和硬度较低， 耐磨性和耐腐蚀性能较差，大大限制了其作为工程结构材料的应用范围。 本论文建立了一种性能良好，经济实用，便于操作的镁合金表面改性工艺， 即，将脉冲钨极氩弧熔敷技术引入到镁合金表面改性技术领域，采用交流脉冲钨 极氩弧表面熔敷工艺在镁合金表面制备熔敷层。另外，采用激光表面熔敷工艺在 镁合金表面制备陶瓷颗粒增强熔敷层。本文选择广泛应用的镁合金7 _ 3 1 为基体， 陶瓷颗粒为其增强体。采用光学显微镜( o m ) ，扫描电镜( s e m ) ，能谱仪( e d s ) ， 透射电镜( t e m ) ，电化学测试等分析手段，主要研究了表面s i c p ，s i c p + a i ，b 4 c p 增强熔敷层的制备工艺以及表面熔敷层的微观组织对力学性能、磨损和腐蚀行为 的影响。 对陶瓷颗粒进入焊接熔池过程的两个阶段即陶瓷颗粒穿越熔池金属表面以 及陶瓷颗粒在熔池内部的运动进行了数学分析，并尝试建立了一个简单的模型， 分析了脉冲钨极氩弧表面熔敷层的形成机理。在合适的工艺参数下( 脉冲钨极氩 弧i - 1 5 0 a ，v = 2 0 0 m m m i n ，f = - $ h z ；激光p = 2 0 k w ，v = 1 2 m m s ) 所得到的熔敷 层的宏观表面均匀整洁，无气孔、夹渣、弧坑等缺陷。在熔敷层内部获得了显著 细化的等轴晶粒，脉冲钨极氩弧表面熔敷层和激光表面熔敷层内的晶粒尺寸最小 分别达到9 “m 和4 l a i n 。这是由于多种驱动力( 如，熔化金属的浮力和表面张力， 电磁力，脉冲电弧吹力等) 以及脉冲电流在熔池中产生剧烈搅拌的综合作用，在 熔池内会出现强烈的对流和紊流。同时，由于试件被安装在导热良好的铜垫板上， 试件表面与试件基体的边界之间存在较大的温度梯度，从而导致试件表面的熔池 在较高的冷却速度下快速凝固。因此树枝晶破碎所需的时间较短，即在熔池金属 全部凝固之前，树枝晶便开始破碎，从而在熔敷层中获得显著细化的等轴晶粒。 在钨极氩弧和激光表面熔敷层内，陶瓷颗粒与镁合金a z 3 1 基体之间的界面 处无缺陷，没有明显的反应物生成，陶瓷颗粒没有发生明显的熔化和分解现象， 而且界面结合良好。熔敷层表面镁的含量有所降低，而铝含量有所增加，将有利 于表面致密氧化膜的形成，对提高表面耐腐蚀性能和耐磨性能非常有利。 与镁合金a z 3 1 母材的硬度( 约为5 5 h v ) 相比，s i c p 和b 4 c p 增强脉冲钨 极氩弧表面熔敷层的硬度显著增加，约为1 2 0 1 6 0 h v ，激光表面熔敷层的硬度约 摘要 为1 5 0 1 8 5 h v 。表面熔敷层硬度的增加主要由于大量商硬度的陶瓷颗粒的存在， 晶粒的细化以及大量细小的b 相( m g l 7 a 1j 2 ) 均匀地分布在熔敷层内，从而有效 地阻止了位错迁移和晶界滑移，限制了熔敷层的变形能力，提高了熔敷层的硬度。 s i c p 增强脉冲钨极氢弧表面熔敷层的屈服强度匈2 、极限拉伸强度o l y r s 随着 陶瓷颗粒体积分数的增加而升高，而且含有较小颗粒尺寸的s i c d 增强熔敷层的 屈服强度0 0 2 、极限拉伸强度饥r r s 增强幅度大于含有较大颗粒尺寸的s i c p 增强 熔敷层，而延伸率试验结果与此相反。在低体积分数时，熔敷层断口表现为陶瓷 颗粒与镁合金a z 3 1 基体界面脱粘，以及镁合金a z 3 1 基体的韧性断裂，而陶瓷 颗粒断裂则较少。但当体积分数较高时，更多的是陶瓷颗粒断裂。b 4 c p 体积分 数为1 1 和7 的脉冲钨极氩弧表面熔敷层g u i _ s 与镁合金a z 3 1 母材的( i t y l s 相比， 分别提高了约1 4 8 * o g l6 1 。 当陶瓷颗粒的颗粒尺寸相同时，脉冲钨极氩弧表面熔敷层的相对磨阻 r w r l 2 与陶瓷颗粒的体积分数之比成正比；而当陶瓷颓粒的体积分数保持不变 时，相对磨阻r w r l 2 与颗粒尺寸之比的平方成反比，即符合如下关系式； r w r l 2 = ( 、，l v 2 x g 2 0 0 2 。在室温条件下( 陶瓷颗粒的体积分数为1 2 ，颗粒尺 寸为2 0 l a m ，磨损时间为2 o h ) ，在磨损载荷为4 9 n ，9 8 n 和1 4 7 n 时，脉冲钨极 氩弧表面熔敷层的磨损机制分别为：氧化磨损，层状剥离磨损以及胶合磨损。而 且所有的熔敷层的磨损速率均低于镁合金a z 3 1 母材的磨损速率。在高湿条件以 及相同的磨损载荷下( 2 0 0 ，磨损载荷为9 8 n ，磨损时间为1 0 h ) ，熔敷层均 具有比镁合金a z 3 1 母材优异的高温耐磨性。 在3 5 n a c i 溶液中浸泡腐蚀失重试验结果表明，表面熔敷层比镁合金 a z 3 1 母材的腐蚀速率要低，造成熔敷层腐蚀的主要原因是p 相与镁合金a z 3 1 基体( a 相) 间的电偶腐蚀作用。熔敷层耐局部腐蚀的能力要明显好于镁合金 a z 3 1 母材；a z 3 1 母材的i c o 。高于熔敷层的k 。a z 3 1 母材比其熔敷层的e 。 负o 0 7 3 0 1 5 3 v ，而r “却相差较小，陶瓷颗粒的存在并不明显影响熔敷层的点 蚀敏感性。熔敷层内的晶粒得到显著细化，大块的6 相也在熔池凝固的过程中得 到分解和细化，铝元素分布更加趋于均匀化，铝元素在n 相内的固溶度在一定程 度上有所提高，从而提高了d 相的钝性。在镁合金表面熔敷层中，腐蚀电偶的加 速效应或腐蚀阻挡效应何时起到主导作用，取决于b 相的数量与分布状态。对于 s i c 口+ 灿表面熔敷层，当铝含量较低时，该熔敷层中1 3 相的数量也较少，而且分 布不连续时，则1 3 相的电偶腐蚀加速效应起主导作用；两当铝含量较高时。p 相 的数量也较多，而且分布比较连续时，1 3 相则主要起到阻挡作用，于是熔敷层的 腐蚀就会受到一定的抑制，腐蚀速度随着铝含量的进一步升高而减小a 关键诃：镁合金，脉冲钨极氩弧激光表面熔敷，碳化硅，碳化硼，铝，力学性 能，磨损，腐蚀行为 2 上海交通大学博士学位论文 p r e p a r a t i o na n dp e r f o r m a n c es t u d yo f s u r f a c em e l 月i n gl a y e ro nm ga l l o y a sl i g h ta l l o y s ，m a g n e s i u ma l l o y sc a nm e e tt h el i g h tw e i g h tr e q u i r e m e n ta n d h a v e 弛o p t i m i s t i cd e v e l o p m e n tp o t e n t i a l c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t a l l i cm a t e r i a l w i t ht h em e r i t so fl o wd e m i 何, h i g hs p e c i f i cs t i f f n e s sa n ds p e c i f i cs t r e n g t h , g o o d d a m p i n sp e r f o r m a n c e ，g o o db a r r i e ro fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dm a c h i n i n g p r o p e r t y , m a g n e s i u ma l l o y sh a v eaw i d e s p r e a da v a i l a b i l i t yi na e r o s p a c e , a u t o m o b i l e ， e l e c t r o n i c s ，n u c l e 盯a n dp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y h o w e v e r , l o ws t r e n g t ha n dh a r d n e s s ， l o ww e a rr e s i s t i n ga n dc o r r o s i o nr e s i s t i n gp r o p e r t i e sh a v er e s t r i c t e dt h ea p p l i c a t i o n f i e l do f m a g n e s i u ma l l o y s i nt h i ss t u d y , ah i g hp e r f o r m a n c e ，e c o n o m i c a la n dc o n v e n i e n tf o ro p e r a t i o no f s u r f a c em o d i f i c a t i o np r o c e s sf o rm ga l l o yh a sb e e ne s t a b l i s h e d , i e t h ep u l s ec u r r e n t g a st u n g s t e na r es u r f a c em e l t i n gp r o c e s sw a se m p l o y e dt op r e p a r eas u r f a c em e l t i n g l a y e ro nm ga l l o y i na d d i t i o n , n d ：y a gl a s e fs u r f a c em e l t i n gp r o c e s sw a su s s dt o p r e p 部eas u r f a c em e l t i n gl a y e rr e i n f o r c e db yc e r o x n i op a r t i c l e s i nt h i sp a p e r , t h e m a g n e s i u ma l l o ya z 3 la n dc e r a m i cp a r t i c l e sw e r eu s e da sm a t r i xa n dr e i n f o r c e m e n t , r e s p e c t i v e l y o p t i c a lm i c r o s c o p e ( 0 m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m e l e c t r o n s p e c t r o m e t e r ( e d s ) ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( t e m ) a n d e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nh a v eb e e nu s e dt oa n a l y s i st h ei n i e r o s t r u c t 3 1 r e , m e c h a n i c a l p r o p e r t y , w e a ra n dc o r r o s i o nb e h a v i o ro f m e l t i n gl a y e rr e i n f o r c e dw i t hs i c p , s i c 科a ， b 4 c p t h ep r o c e s so fc e r a m i cp a r t i c l e sc o n l j l l gi n t om o l t e np o o lh a sb e e nd i v i d e dt w o s t e p s ：c e r s m i cp a r t i c l e st r a v e r s et h e b a r r i e ro fm o l t e np o o la n dt h em o v e m e mi n m o l t e np 0 0 1 as i m p l em o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e da n dm a t h e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h e t w os t e p s f o r m i n gm e c h a n i s mo fg t am e l t i n gl a y e rw a sa n a l y z e d u n d e rt h e o p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ( i = 1 5 0 a ，w 2 0 0 m m m i n ，f = - s i - i za n dp = 2 0 k w ， v = 1 2 m m s ) t h em a c s u r f a c eo fm e l t i n gl a y e rw a su h i f o r ma n dn od e f e c t ss u c ha s p o r o s i t i e s ，s l a ga n dc r a t e r s u n d e rt h eo p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，t h eg r a ms i z e o fg t a m e l t i n gl a y e ra n dl a s e rs u r f a c em e l t i n gl a y e rw a s9 “ma n d4 t r n , r e s p e c t i v e l y a v a r i e t yo fd r i v i n gf o r c e ( s u c ha sb u o y a n c ya n ds u r f a c et e n s i o no fm o l t e nm e t a l ， e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e p u l s ea 托b l o wf o r c e ) a n dd r a s t i cs t i r r i n gg e n e r a t e db yi m p u l s e c u r r e n tc o u l dp r o v o k ei n t e n s i v ec o n v e c t i o na n dt u r b u l e n c e m e a n w h i l e , d u et ot h e s a m p l ew a sa s s e m b l e do nt h ec o p p e rp l a t e ，t h e r ew a sal a r g et e m p e r a t u r eg r a d i e n to n t h eb o u n d a r yb c ! t w e c ns u r f a c ea n ds u b s t r a t eo ft h es a m p l e ，s oi tc a u s e dt h em o l t e n p o o lr a p i ds o l i d i f i c a t i o nu n d e rh i g hc o o l i n gr a t e t h et i m eo fd e n d r i t eb r e a k i n gw a s s h o r t e rt h a np l a t e a up e r i o d , i e b e f o r ea l lm o l t e nm e t a ls o l i d i f i c a t i o n , d e n d r i t es t a r t e d 3 t ob r e a k , s ot h a tf m ee q u i a x e d 粤越n sh a v e b e e na c h i e v e di nm e l t i n gl a y e r ad e f e c t f r e ea n da d h e r e n ts i c p a z 3 1o rb 4 c p a z 3 li n t e r f a c ef o r m e di n m e l t i n gl a y e ra n d t h e r ew a gn oo b v i o u sm e l t i n go rd i s s o l u t i o no f c e r a m i cp a r t i c l e sa n d 1 1 0o b v i o u sr e a g t a n ta tt h ei n t e r f a c e 1 1 l ec o n t e n to f m gi ns u r f a c eo f m e l t i n gl a y e rw a s d e c r e a s e da n da ic o n t e n tw a gi n c r e a s e & w h i c hc a ni m p r o v e dt h ew e a l a n dc o r r o s i o n r e s i s t i n go f t h em e l t i n gl a y e r c o m p a r e dw i t hh a r d n e s so f a z 3 lm a t r i x ( a p p r o x i m a t e l y5 5 h v ) t h eh a r d n e s so f g t as u r f a c em e l t i n g l a y e rr e i n f o r c e db ys i c pa n db 4 c pw a ga p p r o x i m a t e l y 1 2 0 1 6 0 h v a n dt h eh a r d n e s so fl a s e rs u r f a c 君m e l t i n gl a y e rr e i n f o r c e db ys i c pw a s a p p r o x i m a t e l y1 5 0 - 1 8 5 h v t h em a i nr e a s o r so fi m p r o v i n gi nh a r d n e s so fs u r f a c e m e l t i n gl a y e rw e r ep r e s e n c eo fl a r g en u m b e r so fc e r a m i cp a r t i c l e si nm e l t i n gl a y e r , f i n eg r a i n sa n da n a s so fpp h a s eu n i f o r md i s t r i b u t i o ni nm e l t i n gl a y e r s oi tc a n e f f e c t i v e l yp r e v e n t d i s l o c a t i o n m i g r a t i o n a n dg r a i n b o u n d a r ys l i d i n g ，l i m i t d e f o r m a b i l i t yo f m e l t i n gl a y e r ，i ky i e l ds t r e n g t h ( a 02 ) a n du l t i m a t et e n s i l es t r e s s ( o u t s ) i n c r e a s e dw i t h v o l u m ef r a c t i o no fs i c pc f f r a 血cp a r t i c l e s a n dt h er e i n f o r c i n gr a n g eo f m e l t i n gl a y e r r e i n f o r c e dw i t hs m a l l e rs i z es i c pc e r a m i cp a r t i c l e sw a gh i g h e rt h a nt h a tr e i n f o r c e d w i t hl a r g e rs i z ec e r a m i cp a r t i c l e s h o w e v e r , t h ec h a n g i n gt e n d e n c yo f e l o n g a t i o nt e s t r e s u l tw a gi n v e r s et ot h es l x e n g t hr e s u l t 1 1 坞f r a c t u r et e x t u r eo fm e l t i n gl a y e r r e i n f o r c e dw i t hl o w e rv o l u m ef r a c t i o no fc e m m i cp a r t i c l e sm a i n l yw a gi n t e r f a c i a l s t i c k yp o i n to fc e r a m i cp a r t i c l ea n dd n c t i l ef r a c t u r eo fa z ，3 1m a t r i x h o w e v e r , t h e f r a c t u r et e x t u r eo fm e l t i n gl a y e rr e i n f o r c e dw i t hh i g h e rv o l u m ef r a c t i o no fc e r a m i c p a r t i c l e sm a i n l yw a sf r a c t u r eo f c e r a m i cp a r t i c l e t h eo 盯r s o f m e l t i n gl a y e rr e i n f o r c e d b yb 4 c pw i t hv o l u m ef r a c t i o no fl l a n d7 w a gi n c r e a s e db y1 4 8 a n d6 1 勰 c o m p a r e dw i t h o v z so f 必1m a t r i x , r e s p e c t i v e l y r e l a t i v ew e a rr e s i s t a n c e ( r w r i i do fm e l t i n gl a y e rr e i n f o r c e dw i t ht h e & g n l e p a r t i c l es i z ew a sp r o p o r t i o nw i t hp a r t i c l ev o l u m ef r a c t i o n o nt h eo t h e rh a n d , i ft h e p a r t i c l ev o l u m ef r a c t i o ni sk e p tc o n s t a n ta n dp a r t i c l es i z ev a r i e s ，t h ew e a rr e s i s t a n c ei s af i m c t i o no fi n v e r s e s q u a r eo ft h ep a r t i c l e ss i z e , w h i c hf o l l o w st h ee q u a t i o no f r w r i 2 = l ，v 2 ) ( g 2 ，g l 尸t _ h cd o m i n a n tm e c h a n i s mo f t h eg t am e l t i n gl a y e ru n d e r t h ea p p l i e dl o a d so f4 9 n ，9 5 n ，1 4 7 n a r t i c l es i z eo f2 0 9 r o , p a r t i c l ev o l u m ef r a c t i o n o f1 2v 0 1 ，w e a rp c r i o do f2 0 h ) w a so x i d a t i o nt ) ，1 ) e ，d e l a m i n a t i o na n da d h e s i o n , r e s p e c t i v e l y a i lw e a l r a t e so f m e l t i n gl a y e rw e r e1 0 w e rt h a nt h a to f a z 3 1b a s em e t a l u n d e rt h eh i 曲t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ( 2 0 0 ，a p p l i e dl o a d so f9 8 n , w e a rp e r i o do f 2 。g h ) ，m e l t i n gl a y e rh a dh i g h e rw e a rr e s i s t a n c et h a na z 3 lb a s em e t a l 1 1 璩c o r r o s i o nm a s sl o s sa f i c ri m m e r s i o ni n3 5 n a c ls o l u t i o ns u g g e s t e dt h a t t h ec o r r o s i o nr a t eo f m e l t i n gl a y e rw a gl o w e rt h a na z 3 lb a s em e t a l 1 1 忙m a i nr e a s o n o f m e l t i n gl a y e rc o r r o s i o nw a gg a l v a n i cc o r r o s i o nb e t w e e nbp h a s ea n dap h a s e t h e r e s i s t a n c e t o l o c a l c o r r o s i o n o f m e l t i n g l a y e r w a g h i g h e r t h a n t h a t o f a z 3 1b a s e m e t a l t h ei o fa z 31b a s em e t a lw a sh i g h e rt h a nt h a to fm e l t i n gl a y e ra n dt h ee 。mo f 4 上海交通大学博士学位论文 m e l t i n gl a y e rw a si n c r e a s e db yu pt oo 0 7 3 - 0 1 5 3 v w h i l et h ed i s c r e p a n c yo f e p aw a s s l i e r t h ep r e s e n c eo f c e r a n l i cp a r t i c l e si nm e l t i n gl a y e rw a sn o to b v i o u se f f e c to n s e n s i b i l i t yo f p i t t i n gc o r r o s i o n t h eg r a ms i z ei nm e l t i n gl a y e rw a so b v i o u s l yr c f m c d a n dm a s s i v ep # u s ew a sd i s s o l v e da n dr e f i n e d a ie l e m e n tu n i f o r m l yd i s t r i b u t e di n m e l t i n gl a y e ra n ds o l i ds o l u b i l i t yo f a ii n 口p h a s ew a si n c r e a s e d , s ot h a tp a s s i v i t yo f a p h a s ew a se n h a n c e d ，i nm e l t i n gl a y e r , e i t h e rt h ec o r r o s i o na c c e l e r a t i n ge f f e c t o r b l o c k i n ge f f e c to fg a l v a i l i cc o r r o s i o na c t e d 嬲al e a d i n gr o l ed e p e n d e do nt h e d i s t r i b u t i o na n dt h ea m o u n to fpp h a s e 。a sf o rt h es i c p + a lr e i n f o r c e dm e l t i n gl a y w h e nt h ec o n t e n to fa 1w a sl o w e r , t h ea m o u n to fpp h a s ew a sa l s ol o w e ra n d d i s c o n t i n u o u s l yd i s t r i b u t e di nm e l t i n gl a y e r , s ot h a tt h ec o r r o s i o na c c e l e r a t i n ge f f e c t o f l 3p h a s eg a l v a n i cc o r r o s i o n a c t e da sl e a d i n gr o l e h o w e v e r , w h e nt h ec o n t e n to f a l w a sh i g h e r , t h ea m o t m to fpp h a s ew a sa l s oh i g h e ra n dc o n t i n u o u s l yd i s t r i b u t e di n m e l t i n gl a y e r , t h a tt h ebp h a s ea c t e d 船c o r r o s i o nb l o c k i n ge f f e c ta n dt h ec o r r o s i o n o fm e l t i n gl a y e rw a si n h i b i w aa tac e r t a i ne x t e n t t h ec o r r o s i o nr a t ew a sd e c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n ga 1c o n t e n ti nm e l t i n gl a y e r k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y , g a st u n g s t e na r c l a s e rs u r f a c em e l t i n gs i l i c o n c a r b i d e ，b o r o nc a r b i d e ，a i ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s , w e a r , c o r r o s i o nb e h a v i o r 5 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 丧试 日期：加7 年彳月，产日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密嗣。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：j 日期：舛多月f 产日 ；指导教师签名a j 包著勺 日期叼年二月，必日 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 i i 镁合金的特点及其应用现状 镁合金是一种能够满足轻量化要求、发展前景极为乐观的轻质合金材料。与 其他金属材料相比，镁合金具有密度小( 约为铝合金的2 3 ，钢铁的i 4 ) 、高比刚 度和比强度、阻尼减震性能好、良好的抗电磁干扰屏障以及易于机械加工等优点， 在机械、交通、航空航天、核工业、石油化工设备等领域有广泛的应用前景【l 删。 在同等刚性和同样形状的条件下，镁合金零部件的坚固程度比铝合金和钢的重量 要轻得多。镁合金的比弹性模量与高强度铝合金、合金钢大致相同。由于铸件的 截面刚度随其厚度的立方比增加，因此用镁合金制造刚性好的整体构件十分有 利。镁合金具有极好的吸振性能和良好的阻隔电磁波功能，可吸收振动与噪音， 其抗冲击性是塑料的2 0 倍，对于用作设备机壳、减少噪音传递、提高防冲击十分 有利，特别适用于制作精密电子仪器、轮毂和设备的外壳等，如图1 - 1 所示。镁 合金具备良好的可回收性，被誉为是2 l 世纪最具开发和应用的“绿色”工程材料 【n 1 6 1 。我国镁资源约占全球总量的7 0 ，原镁产量居世界首位，镁合金将成为今 后我国高新技术产业最有希望大量采用的金属材料之一。如何将资源优势转化为 技术和产品优势，推动我国镁产业的发展，己成为目前亟待解决的重要课题。 图1 - 1 镁合金的应用领域 f 培l - ia p p l i c a t i o na r o f m a g n e s i u ma l l o y 但是，镁合金的室温强度和硬度低、耐磨性差、弹性模量小，耐腐蚀性能差， 大大限制了作为工程结构材料的应用范耐1 m “。尽管镁合金的强度可以通过比较 昂贵的合金化手段如镁钾和镁稀土合金等来提高，但是其它的性能如高硬度、 高弹性模量和良好的耐磨性能等只有通过添加具有高的强度和硬度的增强体才 第一章绪论 能实现。即，通过采用外加颗粒或纤维等增强体来制备镁基复合材料。目前，镁 基复合材料分为连续纤维增强和非连续增强两类 2 2 - 2 6 1 。连续纤维增强镁基复合材 料主要是以硼、碳或碳化硅纤维作为增强摆，虽然可显著提高材料的强度和模量， 但由于制造工艺复杂、技术难度很大，价格昂贵，加上材料各向异性等原因，限 制其广泛应用。对于非连续增强镁基复合材料，特别是颗粒增强镁基复合材料， 制备工艺相对简单，具有较好的发展前景。但是相对于已经得到广泛研究和应用 的颗粒增强铝基复合材料，对颗粒增强镁基复合材料的材料体系、制备技术及性 能等方面的研究较少i ”3 5 】。此外由于镁合金容易燃烧、外加增强相与合金液的润 湿性较差，传统的复合技术在制备镁合金复合材料时尤其困难，需要采用特殊的 设备和复合工艺，目前已有的制各方法仅限于压力浸渗、挤压铸造、原位合成技 术等特殊工艺 3 6 - 4 _ 7 】，制备工艺相当复杂和困难，复合材料的生产成本很高，难以 得到实际应用。 更为重要的是，往往在实际应用中，镁合金零部件整体并不需要完全由镁基 复合材料来制备，只需要其表面或局部区域具有较高的硬度和耐磨性以及较好的 耐腐蚀性能，而磨损和腐蚀正是制约镁合金实际应用的瓶颈问题，因此，有必要 采用表面改性技术来提高镁合金零部件表面的综合性能。 镁合金表面层的调整能够不改变镁合金本体的化学成分、相组成与微观结 构，只改变镁合金与环境介质接触的表层部分的化学成分、相组成或微观结构。 这样，从整体上看还是原来的镁合金，但其表面与原来的镁合金已经有了很大的 不同，甚至已不再是镁合金的表面，而是另外一种金属、合金或复合材料，虽然 该金属表面是由原来的镁合金表面演化而来，与原来的镁合金表面层还有一定的 传承关系。镁合金表面改性的优点在于，只提高表面的的硬度、耐磨性以及耐腐 蚀性能，而镁合金本体的性能( 例如密度，等等) 不受影响。 目前已有不少文献报道，借助机械表面处理、化学转化、阳极氧化、等离子 微弧氧化、离子注入、真空电子束以及激光束等表面改性方法来提高镁合金表面 盼使用性能。此外还有真空蒸发沉积、磁控溅射沉积、物理气相沉积以及化学气 相沉积等各种镀膜技术应用到镁合金的表面处理【4 ”，可将金属、陶瓷和氧化物 等沉积到镁合金表面，从而提高镁合金表面的综合性能。但是，几个重要的因素 限制了上述表面改性技术的广泛应用，例如，较低的沉积速率；要求较高的真空 度；沉积层较薄、脆性较大、疲劳强度低；沉积层与镁合金基体的结合强度低， 孔隙率较高；不易于操作、加工费用昂贵等缺点。 1 2 镁基复合材料的研究进展 金属基复合材料宏观力学性能的好坏取决于基体和增强相之间的界面结合 状况，为了获得高强度的材料，其界面结构的优化和稳定是基体和增强材料性能 2 上海交通大学博士学位论文 能否充分发挥，获得最佳综合性能的关键。镁不能形成稳定的碳化物，也就是说 碳化物在镁中可以稳定存在，因此碳化物是镁基复合材料的合适增强物5 酬。但 由于增强物的形态、基体材料的成分不同，复合材料的界面及性能具有不同的显 微特征。 1 2 1 颗粒增强镁基复合材料 s i c 颗粒增强镁基复合材料主要有s i c p z m 5 ，s i c p a z 8 0 ，s i c p a z 8 1 ， s i c p m g a l 8 ，s i c p m g z n 6 ，s i c p m g r e 3 等。s i c 颗粒和镁合金基体不发生界面 反应，界面化学相容性较好。文献【6 5 】研究了采用真空压力浸渍法制备s i c p 增强铸 造镁合金z m 5 复合材料的界面显微特征。复合材料界面上由于铝元素的偏聚而形 成了块状和细针状的p 相( m g l 7 a 1 1 2 ) ，但b 相与基体间不存在确切的位向关系， 这可能与z m 5 中铝含量较低有关。另外。在少数界面上观察到s i c 颗粒表面的氧 和液态的镁反应生成的微晶m g o 。文献 6 6 瑚7 】研究了利用搅拌铸造法制备 s i c p a z 8 1 和s i c p a z 8 0 复合材料。该复合材料界面光滑无反应层，界面处生成 共晶p 相，p 相在s i c p 表面形核且具有确定的位向关系：【1 1 0 1 】s d 1 l l 】d 和 ( 0 1 1 1 ) s w j ( 1 l o ) b ，p 相与s i c p 界面为半共格界面。而对于s i c p a z s l 复合材料，存 在另一种取向关系：【2 1 1 0 】s i 【1 0 0 】c l l 5 z | 1 8 和( 0 0 0 1 ) s - c ( 0 0 1 ) c u 5 z n 8 ，由于a z s i 含较多的z n 和c u ，在凝固的过程中z n 和c u 被推挤到固液界面的前沿，导致c u i e n s 在s i c p 表面形核。k n b r 部z c y h s k a i 醅】认为s i c p 增强纯镁界面结合稳定、强度高 且无沉淀物；s i c p 增强m g a h 和m g z n 6 界面特征与纯镁相似，无 3 s i c + 4 a 1 = a 1 4 c 3 + 3 s i 反应发生；s i c p 增强m 冰e 3 界面具有好的润湿性，但大量羽 毛形状的c e 3 s h 相的出现弱化了界面结合强度。文献咿7 0 】研究了搅熔铸造法制备 的s i c p z c m 6 3 0 ，s i c p z c 7 1 复合材料的界面。在界面处存在明显的原子扩散， m g ，c u 等扩散进入s i c 晶格，形成有序结构，从而强化了界面结合。在界面处， 发现与s i c p 具有确定位向关系的共晶相m g ( z n c u ) 2 。同时还观察至u s i c p 表面吸附 的s i 0 2 与镁反应形成块状的m 9 2 s i 析出相，其与s i c p 无取向关系。 文献【_ n 】的研究结果表明，镁与b 4 c p 不发生界面化学反应，二者具有良好的 化学相容性，但b 4 c p 本身在5 0 0 ( 2 以上易发生氧化生成玻璃态的b z 0 3 ，而镁和 b 2 0 3 发生化学反f i 立4 m g + b 2 0 3 = 3 m g o ( s ) + m g