高能束技术在镁合金表面改性中的应用

高能束技术在镁合金表面改性中的应用

由于密度低、金刚和铁的作用，镁和金具有密度小、刚度高、强度高、衰减性能好等优点。广泛应用于交通、航空、石化等行业。但由于其耐磨和耐蚀性差、强度低、抗氧化性差等缺点,严重限制了镁合金的应用范围,因此需要对其进行表面改性采用高能束流(激光束、离子束、电子束)对材料进行表面改性是近20年来迅速发展起来的表面处理新技术,是材料科学最新研究领域之一。高能束功率密度可达到101激光表面冷却激光表面改性技术是利用高能量密度激光束直接熔凝材料表面或在材料表面形成一定厚度的处理层,借助于激光极高的冷却速度,改善材料表面的力学性能、冶金性能和物理性能,从而提高材料表面的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。目前采用激光技术对镁合金进行表面处理主要包括以下3种工艺1.1以固体表面强化激光表面熔凝处理是采用较高能量密度的激光束直接照射金属表面,使一定厚度的表层瞬间熔化,再依靠低温基体自身的冷却作用使熔池急冷,从而使表面强化的方法。目前,国内外对镁合金激光表面熔凝处理的研究不是很多,而且所得到的结论也不尽相同。文献1.2通过增强基层组织激光表面合金化是通过熔化基体表面的预置涂层和下面的部分基体,或者在表面熔化的同时注入某些粉末,预置涂层或注入的粉末与基体表面在熔池中液态混合后发生快速凝固,在基体表面形成一层具有期望性能的合金层,从而达到提高基体性能的目的。该工艺的优点是处理深度可达数毫米、膜层可控性好。R.Galun等1.3u2004镁合金复合涂层的制备激光熔覆是指采用不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料,通过激光辐照使之与基体表面薄层同时熔化,并快速凝固后形成稀释率极低的、与基体材料成冶金结合的表面涂层,可显著改善基体材料表层性能的工艺。这种工艺与表面合金化的区别从目前国内外的研究情况来看,通过设计熔覆涂层体系,激光熔覆技术可在镁合金表面获得与基体金属性能完全迥异的具有优异耐磨、耐蚀性能的涂层。因此,与上述两种处理工艺相比,激光熔覆技术的研究较为活跃。目前,镁合金激光熔覆多采用低熔点、由晶体相构成的合金涂层或金属加陶瓷硬质颗粒形成的低熔点金属基复合涂层。Subramanian等在上述研究的基础上,研究人员又进一步研究了熔覆Al+RE然而,采用激光熔覆具有较高硬度、极好耐磨和耐蚀性的低熔点非晶涂层和高熔点陶瓷涂层的研究还较少。其研究难点在于:(1)非晶涂层的形成条件较为严格;(2)高熔点陶瓷涂层和镁合金基体间熔点相差较大,熔覆过程中易使基体产生过熔、塌陷现象,所以在镁合金上激光熔覆高熔点涂层具有一定困难。如果能够攻克上述难点,采用激光熔覆的方法在镁合金表面制备一层陶瓷或非晶合金涂层,将极大地改善镁合金表面耐磨、耐蚀性差的问题,从而显著扩大镁合金的应用领域。近几年来,大连理工大学等单位在这方面进行了大量的探索和研究,开发了适用于镁合金表面改性的Ni-Zr-Al综上所述,激光改性技术已成为镁合金表面改性的研究热点之一,但激光的能量转换率很低(大约只有10%～25%),而且设备费用很高;同时,其应用还依赖于基体材料的反射率。因此,目前激光表面改性技术的大规模工业应用仍受到较大限制。2电子束表面改性电子束表面改性技术与激光表面改性技术一样,都是在最近十几年迅速发展起来的表面处理技术。电子束可以较灵活地调节加热面积、加热区域和材料表面的能量密度,能量效率极高,不像激光束那样需要激光气体及辅助气体。其改性机理是:高速电子束照射到金属表面时,电子能深入到金属表面一定深度,与基体金属的原子核及电子发生相互作用。电子与原子核的碰撞可看作弹性碰撞,因此,能量主要是通过电子束的电子与金属表层电子碰撞而形成的,所传递的能量以热能形式传与金属表层原子,使被处理金属的表层温度迅速升高。因此,利用电子束轰击产生的热效应以及由此引发的材料微观组织结构和应力状态变化,可达到改变材料表面性能的目的高波等然而,目前国内外采用电子束对镁合金表面进行改性的研究还很少,其研究基础较为薄弱,仅限于采用高能电子束对表面进行轰击改性。此外,电子束表面处理时需要较高的真空度,只适合处理尺寸较小的工件,工业应用受到一定限制。3等离子体表面改性的应用采用离子束对镁合金表面进行改性目前多以等离子微弧氧化和离子注入为主常压等离子束表面改性技术是在等离子焊接、等离子喷涂和激光熔覆等技术的基础上研究和发展起来的一种新型表面强化技术,是以压缩等离子束作为热源,在基体表面上熔合一层高性能合金或陶瓷粉末,使之形成与基体材料性能完全不相同的表面改性层,从而提高基体材料表面耐磨、耐蚀或抗高温氧化性能。常压等离子束具有与激光相近的能量密度和相似的表面处理特点,而且与激光处理相比,其电热转换效率高,发生装置简单,不受苛刻的环境条件以及较小工件尺寸的限制,因此越来越引起人们的重视。采用转移型常压等离子束对钢和铸铁件进行表面淬火、熔凝硬化,已在内燃机缸套、油田整筒泵管等磨损件上实现了工业应用,并可针对工件形状、工况条件等来设计等离子发生器的结构。本课题组长期从事等离子表面改性的研究,已针对常压等离子束的高温及刚性冲击导致基体镁合金的过熔问题,并结合等离子体的物理性质和热力学性质,设计了等离子发生器的结构,得到了适合镁合金表面处理的环状负压柔性等离子束。采用这种柔性等离子束对AZ91D镁合金表面进行了熔凝处理和熔覆Al4高能束表面改性高能束由于其可控性好且具有超快速加热和冷却的特点,已在许多精密、关键、高附加值的模具和机械零件的生产中得到了广泛应用。在此研究基础上,采用高能束针对镁合金表面改性的研究已逐步开展。随着对高能束流表面改性技术研究的日益深入,