發(fā)布時(shí)間：2021-03-23 10:03

  鎂合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱性能及鑄造性能好等杰出特性,是工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,滿足了汽車制造、航空航天及國(guó)防科技等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)輕量化的需求。然而,鎂合金的化學(xué)性質(zhì)活潑、硬度低、耐腐蝕性和耐磨損性差等問題成為阻礙其更廣泛應(yīng)用的重要因素。在鎂合金表面制備合金化層是解決鎂合金表面性能差的有效方法之一。因此,對(duì)AZ31鎂合金表面合金化層與擴(kuò)散層的組織及性能研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本文依據(jù)擴(kuò)散機(jī)制及擴(kuò)散規(guī)律,采用Fick第二定律建立了擴(kuò)散過程中擴(kuò)散金屬元素的濃度分布方程,并利用Arrhenius公式得到了擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散激活能、溫度之間的關(guān)系,計(jì)算了不同溫度時(shí)Al、Zn元素在純鎂中的擴(kuò)散系數(shù)。確定了Al、Zn元素的濃度分布與加熱溫度的關(guān)系及界面擴(kuò)散距離與保溫時(shí)間的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明,Al、Zn元素的擴(kuò)散系數(shù)均隨加熱溫度的升高而增大,擴(kuò)散界面距離隨溫度升高和擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)而增加。使用金屬鋁與金屬鎂試樣加熱到430℃,觀測(cè)到擴(kuò)散前期(30 min)擴(kuò)散界面變化顯著,Al向鎂基體內(nèi)部滲入速率較快;保溫時(shí)間為60 min的擴(kuò)散界面變化基本穩(wěn)定;從60 min至120 min界面的擴(kuò)散速率減緩。實(shí)驗(yàn)中Al元素在鎂基體中的濃度逐漸減小,并在Al、Mg的擴(kuò)散界面處檢測(cè)到Mg17Al12、Mg2Al3等鋁鎂金屬間化合物及α-Mg固溶體。Zn元素在鎂基體中擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)表明加熱溫度升高,界面擴(kuò)散距離增大,擴(kuò)散速率也加快。鋅鎂擴(kuò)散層中生成了Mg7Zn3和Mg Zn相,α-Mg+Mg Zn相以片層結(jié)構(gòu)沿鎂的晶界向鎂基體中伸入。采用熱擴(kuò)散技術(shù)在AZ31鎂合金表面制備了鋅鋁合金層。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算數(shù)據(jù)的分析,確定了360℃的加熱溫度和60 min的保溫時(shí)間為最佳擴(kuò)散工藝參數(shù)。加工后的鋅鋁合金層和鎂合金基體的組織結(jié)構(gòu)與相組成未發(fā)生改變。鋅鋁合金層與鎂合金基材之間形成了明顯的擴(kuò)散層,并有Mg7Zn3和Mg Zn等新相生成,說明擴(kuò)散層的形成主要是通過Zn、Mg元素?cái)U(kuò)散和反應(yīng)完成的。擴(kuò)散層中的顯微硬度升高到167 HV,鋅鋁合金層的顯微硬度為115 HV,相比于鎂合金基體硬度有較大提高。加熱溫度為360℃,保溫60 min的擴(kuò)散層試樣剪切強(qiáng)度最高,平均值達(dá)到49.26 MPa,表明鎂基體與鋅鋁合金層的結(jié)合方式為冶金結(jié)合。而加熱溫度過低,擴(kuò)散層中有縫隙和孔洞;加熱溫度過高,剪切強(qiáng)度降低,斷裂形式為脆性斷裂,斷口中出現(xiàn)裂紋。鋅鋁合金中的Al元素含量達(dá)到40 wt.%(質(zhì)量百分比)并加入微量(0.1 wt.%)的稀土La元素后,鋅鋁鑭合金的晶粒得到細(xì)化。鋅鋁鑭合金擴(kuò)散層中存在Mg17Al12、Mg2Al3、Mg7Zn3、Mg Zn2及Al11La3相,增加了擴(kuò)散層的硬度和界面剪切強(qiáng)度,起到強(qiáng)化作用。擴(kuò)散溫度升高,鋅鋁鑭合金擴(kuò)散層中金屬間化合物增多,硬度升高,但剪切強(qiáng)度由于脆性相的增加而降低。應(yīng)用鑄滲工藝在鎂合金表面直接生成了鋅鋁合金層。澆注溫度過高,鑄滲層中反應(yīng)生成的金屬間化合物較多,鎂合金基體組織受到的影響較大,鑄滲層硬度大,剪切強(qiáng)度降低,斷口處出現(xiàn)大量脆性組織;澆注溫度過低,鎂金屬熔液中的擴(kuò)散能量不足,Mg、Al、Zn元素的滲透量較少,鑄滲層未完全形成,鋅鋁合金層與鎂基體界面的剪切強(qiáng)度降低。635℃澆注的試樣鑄滲層結(jié)合較好,剪切強(qiáng)度為23.63 MPa。鑄滲層中有Mg2Al3、Mg17Al12及Mg Zn2相,鎂鋅金屬間化合物Mg Zn2相集中分布在鑄滲層的細(xì)小蜂窩狀結(jié)構(gòu)內(nèi);鋁鎂金屬間化合物相則分布在整個(gè)鑄滲層中,α-Mg+β-Mg17Al12片層狀結(jié)構(gòu)沿鎂基體相的邊界分布。澆注溫度為635℃的鑄滲層顯微硬度與620℃的相近,但小于650℃的鑄滲層最大硬度。對(duì)比AZ31鎂合金基體、熱擴(kuò)散鋅鋁合金層及鋅鋁鑭合金層的電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果,極化曲線圖表明鎂基體的腐蝕電位最低,為-1.5947 V,并且沒有出現(xiàn)鈍化區(qū);鋅鋁合金熱擴(kuò)散層的腐蝕電位上升到-1.0829 V,鋅鋁鑭合金擴(kuò)散層腐蝕電位進(jìn)一步升高到-1.0496 V,并且都出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū),耐腐蝕性能提高。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的熱擴(kuò)散鋅鋁合金層、鋅鋁鑭合金層試樣及表面鑄滲鋅鋁合金層試樣的磨損失重非常小,與AZ31鎂合金基體的磨損性能相比,耐磨損性能有極大提高。鎂合金基體的磨損形貌圖中出現(xiàn)了較寬的犁溝,并伴有撕裂的碎屑,受磨損程度比較嚴(yán)重。熱擴(kuò)散鋅鋁合金層與鑄滲鋅鋁合金層的磨損形貌中的磨損溝痕較淺,無撕裂碎屑跡象,只有細(xì)小的硬質(zhì)顆粒。熱擴(kuò)散鋅鋁鑭合金層中受損程度更小,只有少量的刮痕出現(xiàn)。基于電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)和表面磨損實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,鎂合金表面熱擴(kuò)散鋅鋁、鋅鋁鑭合金層及鑄滲鋅鋁合金層都能夠有效地改善耐腐蝕與耐磨損性能,為擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍提供有力的依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG174.4

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本文編號(hào)：1910260