论文 关键词:镁合金 激光功率 耐蚀性
论文摘要:对镁合金进行表面处理,提高其耐磨性和耐蚀性,是当今表面工程研究领域一个重要内容。本研究以az91d镁合金为基体,al为合金粉末,以激光表面改性技术为手段,致力提高镁合金表面耐蚀性。探讨激光功率对az91d基体和mg-al改性层耐蚀性的影响 规律 ,得出优化工艺参数。
1.前言
镁合金因具有低密度、高比强度和高比刚度及优良的阻尼减震性,而在 工业 应用中受到越来越多的重视,尤其是在航空、航天和汽车领域倍受亲睐。但是,由于镁的标准电极电位为-2.30v[1](25℃,vsh电极),其耐蚀性极差,即使在室温下也会与空气发生氧化反应,是极活泼的金属,这大大限制了其作为工程结构材料的应用范围。
通过激光,对镁合金材料的表面进行改性处理,可很好的提高基体抗氧化的能力,使其应用更广泛。
2.实验方法
实验研究激光功率对az91d压铸镁合金改性层耐蚀性的影响。
试样尺寸为75mm×50mm×10mm,对改性层进行打磨使其光滑,用以去除杂质和氧化膜,不要留有划痕且无磨粒镶嵌,最后用丙酮清洗干净。在合金表面覆盖al粉,用酒精作为粘结剂。
激光合金化改性后用ph=6.5-7.2、浓度为3.5%的nacl溶液,在恒温35ºc条件下进行耐腐蚀实验。每个实验周期为24小时,连续盐雾喷淋8个小时,停喷16个小时,共进行4个周期。
3.实验设备
激光设备使用dl-hl-t5000b型5kw横流co2激光器,激光波长为10.6μm,圆形光斑,输出功率在5kw以上;sem扫描 电子 显微镜观察组织形貌;xrd26000型x射线衍射仪测定物质的微观结构和晶格常数,对相结构做出定性和定量分析;epma-1610型电子探针对改性层横截面mg、al元素分布进行分析。
4.实验结果与分析
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(a) 1.5kw (b) 2 kw (c) 2.5 kw
图1 不同功率下合金化区形貎
fig. 1 the microstructure of the alloying zone in different powers
图1为在扫描速度7mm/s、光斑直径3mm时,不同功率下合金化改性层的显微组织。由图可知,随着激光功率增加,梅花状晶体也随之变长、加宽,由碎小晶体变成粗大的晶体。这是由于激光功率的增加使mg-al合金化过程中熔池单位面积获得的热量增加,冷却条件不变的情况下,梅花状晶体可以在长度和宽度两个方向上更加充分的生长,所以晶体尺寸在逐渐增加。
(a) (b)
图2改性层(a)和基体镁合金(b)腐蚀形貌
fig.2morphologies for the corroded surface of modified layers (a) and substrate mg alloy(b)
图2为az91d基体和az91d表面激光al合金化镁合金经过32小时盐雾腐蚀形貌,可以看到合金化熔池有轻微的腐蚀(图a箭头所指处),而基体腐蚀的非常严重(图b箭头所指处),α-mg被腐蚀已经形成黑色腐蚀洞。这是由于α-mg固溶体中al元素含量较少,在nacl介质中,cl-很容易在表面膜有缺陷的地方穿透,为腐蚀的进一步 发展 开辟通道,从而造成点蚀的发生,图2(b)。而对于激光合金化镁合金,表面平整,只发生少量点蚀现象,图2(a)。这是由于经过激光合金化的基体镁合金α晶粒尺寸较小,晶粒的细化减小了al从晶内到晶界的正偏析程度,从而有利于降低α-mg的腐蚀程度[2]。
图3基体和不同功率下改性层腐蚀速度曲线
fig.3 the corrosion curve of substrate and the modified layers with different powers
图3为基体镁合金和不同功率下改性层试样腐蚀增重量(corrosion rate)与腐蚀时间(time)的关系曲线。由图可见,不同功率下改性层的腐蚀增重量远远低于基体(substrate),当功率为1.5kw(■)时所得试样的腐蚀速度最慢。这是因为随着激光功率增加,单位面积吸收激光能量也随之增加,α-mg晶粒升温后会使其尺寸有足够的时间长大,而粗大的α-mg晶粒尺寸可以导致al浓度的偏析距离增大,晶粒靠中间的部位由于偏析的作用al含量少,耐蚀性也就大大降低了。
5.结论:
激光合金化改性层分为合金化区、结合区和热影响区三个部分。通过 电子 探针分析结果确定合金化区(见图1)鱼骨状组织为α-mg和梅花状组织为α-mg+β-mg17al12的组织,灰色基体为少量的α-mg和较多β-mg17al12的组织。改性层同样是由α-mg和金属间化合物β-mg17al12构成,并且β-mg17al12相的含量较基体镁合金均有明显增加。
经激光改性后试样表面的腐蚀速率远远低于未改性的基体。最开始8小时由于最表层以α-mg为主,其腐蚀速度较快。晶粒细化和强化相β-mg17al12的分布及含量均有助于提高改性层耐蚀性。激光扫描速度一定时功率为1.5kw时,耐蚀性最佳。
参考 文献
[1] 林肇琦. 有色金属材料学[m]. 沈阳:东北大学出版社,1991:40-45
[2] 刘帅刘忆激光合金化对az91d镁合金力学性能的影响,热加工工艺 2009.(2):34-35
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