鎂合金具有質(zhì)量輕、比強度和比剛度高、導熱性能及鑄造性能好等杰出特性,是工程應用中最輕的金屬結(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AZ31鎂合金表面合金化層與擴散層的組織及性能研究具有重要的理論意義和實用價值。本文依據(jù)擴散機制及擴散規(guī)律,采用Fick第二定律建立了擴散過程中擴散金屬元素的濃度分布方程,并利用Arrhenius公式得到了擴散系數(shù)與擴散激活能、溫度之間的關(guān)系,計算了不同溫度時Al、Zn元素在純鎂中的擴散系數(shù)。確定了Al、Zn元素的濃度分布與加熱溫度的關(guān)系及界面擴散距離與保溫時間的關(guān)系。計算結(jié)果表明,Al、Zn元素的擴散系數(shù)均隨加熱溫度的升高而增大,擴散界面距離隨溫度升高和擴散時間延長而增加。使用金屬鋁與金屬鎂試樣加熱到430℃,觀測到擴散前期(30 min)擴散界面變化顯著,Al向鎂基體內(nèi)部滲入速率較快;保溫時間為60 min的擴散界面變化基本穩(wěn)定;從60 min至120 min界面的擴散速率減緩。實驗中Al元素在鎂基體中的濃度逐漸減小,并在Al、Mg的擴散界面處檢測到Mg17Al12、Mg2Al3等鋁鎂金屬間化合物及α-Mg固溶體。Zn元素在鎂基體中擴散實驗表明加熱溫度升高,界面擴散距離增大,擴散速率也加快。鋅鎂擴散層中生成了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。采用熱擴散技術(shù)在AZ31鎂合金表面制備了鋅鋁合金層。根據(jù)實驗結(jié)果與計算數(shù)據(jù)的分析,確定了360℃的加熱溫度和60 min的保溫時間為最佳擴散工藝參數(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散層,并有Mg7Zn3和Mg Zn等新相生成,說明擴散層的形成主要是通過Zn、Mg元素擴散和反應完成的。擴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的擴散層試樣剪切強度最高,平均值達到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,擴散層中有縫隙和孔洞;加熱溫度過高,剪切強度降低,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化。鋅鋁鑭合金擴散層中存在Mg17Al12、Mg2Al3、Mg7Zn3、Mg Zn2及Al11La3相,增加了擴散層的硬度和界面剪切強度,起到強化作用。擴散溫度升高,鋅鋁鑭合金擴散層中金屬間化合物增多,硬度升高,但剪切強度由于脆性相的增加而降低。應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度降低。635℃澆注的試樣鑄滲層結(jié)合較好,剪切強度為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。對比AZ31鎂合金基體、熱擴散鋅鋁合金層及鋅鋁鑭合金層的電化學腐蝕實驗結(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);鋅鋁合金熱擴散層的腐蝕電位上升到-1.0829 V,鋅鋁鑭合金擴散層腐蝕電位進一步升高到-1.0496 V,并且都出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū),耐腐蝕性能提高。摩擦磨損實驗后的熱擴散鋅鋁合金層、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,受磨損程度比較嚴重。熱擴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,只有細小的硬質(zhì)顆粒。熱擴散鋅鋁鑭合金層中受損程度更小,只有少量的刮痕出現(xiàn)。基于電化學腐蝕實驗和表面磨損實驗的結(jié)果,鎂合金表面熱擴散鋅鋁、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,為擴大鎂合金的應用范圍提供有力的依據(jù)。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.4

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本文編號：1910260