激光熔覆az31b鎂合金的試驗(yàn)研究

激光熔覆az31b鎂合金的試驗(yàn)研究

由于密度低、強(qiáng)度高、剛度高、磁屏蔽性好、振動(dòng)性好、切割加工性能好，在航空、汽車和電子通信等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。專家預(yù)言,鎂合金作為一種新型的輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料,將成為“21世紀(jì)新型的工業(yè)材料”。為此鎂合金及其加工技術(shù)也成為各個(gè)國(guó)家(尤其是德國(guó)、美國(guó)、日本、俄羅斯和中國(guó))研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。但是鎂的化學(xué)穩(wěn)定性低,電極電位很低,耐蝕性差,且鎂合金的耐磨性、硬度及耐高溫性能也較差,在某種程度上制約了鎂合金材料的廣泛應(yīng)用。改善鎂合金材料的表面性能是解決鎂合金腐蝕與磨損問(wèn)題最直接有效的方法。目前,對(duì)鎂合金進(jìn)行表面改性的方法主要有化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、陽(yáng)極氧化處理、物理氣相沉積、激光表面處理、化學(xué)鍍及電鍍等。激光表面處理技術(shù)是近幾十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種材料表面改性技術(shù)。激光熔覆技術(shù)具有以下的工藝特點(diǎn):加熱速度快,變形小,基體自冷速度快,產(chǎn)生快速凝固組織特征,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制;材料消耗少;加工不受外界磁場(chǎng)的影響等。在國(guó)外MaiwaldT等分別用Al+Cu,Al+Si和AlSi30合金粉末對(duì)AZ91E和NEZ210鎂合金進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)。最近兩年,關(guān)于鎂合金激光熔覆低熔點(diǎn)涂層的研究,研究者們又進(jìn)一步發(fā)展了在鎂合金基體上激光熔覆Al+Al2O3,Al+稀土,Al+Si+Al2O3,Cu-Zr-Al等的研究,其結(jié)果表明耐蝕性及耐磨性都顯著提高[9,10,11,12,13,14]。但在鎂合金表面激光熔覆Ni60合金粉末的研究還很鮮見(jiàn)。本工作利用橫流連續(xù)CO2激光器采用預(yù)置粉末法在氬氣保護(hù)下對(duì)AZ31B鎂合金表面進(jìn)行熔覆Ni60合金粉末的研究,深入分析了其結(jié)合界面的組織及性能。1地層整理工藝試驗(yàn)材料選用厚度為10mm的變形鎂合金AZ31B,激光熔覆層材料選用具有很好的熔覆性,并有良好韌性、耐蝕性、耐磨性和抗氧化性的鎳基自熔合金粉末Ni60,其形貌為比較均勻的球形顆粒,其顆粒度為-150～+320目。如圖1所示,Ni60的化學(xué)成分見(jiàn)表1。激光熔覆前,將基材表面用80#金相砂紙均勻打磨表面,去除表面的氧化物和油污,并用丙酮清洗干凈后晾干。Ni60合金粉末在烘干爐中持續(xù)烘4h,烘干溫度為110℃左右,烘干后在基體表面預(yù)置一層厚度為0.5mm的Ni60合金粉末,利用連續(xù)橫流CO2激光器對(duì)其進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)。其工藝參數(shù)為:激光功率為3kW,掃描速度為180mm/min,激光束光斑直徑為3mm,離焦量為+10mm,處理過(guò)程中采用99.99%的高純氬氣進(jìn)行保護(hù),其流量為5L/min。激光熔覆后的試樣沿橫截面剖開(kāi),經(jīng)打磨拋光后制成金相試樣,然后用1∶3的硝酸酒精混合溶液進(jìn)行腐蝕,腐蝕時(shí)間約為5～6s。利用CMM-20E型光學(xué)顯微鏡和JSM-6700F冷場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡觀察其微觀組織、界面形貌及成分分布;利用SHIMADZUHMV-2T系列維氏顯微硬度計(jì)(顯微硬度檢驗(yàn)負(fù)荷為0.05g)及PS-168A型電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)量分析試樣表層的顯微硬度及抗腐蝕性能。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1宏觀區(qū)域的劃分圖2所示為AZ31B鎂合金基體表面熔覆Ni60合金粉末后試樣橫截面的宏觀照片?？梢?jiàn),試樣由表及里可分為三個(gè)區(qū)域:熔覆層、結(jié)合層和基體。由于Ni60合金粉末具有良好熔覆性,并與鎂合金基體有較好的物化相容性,熔覆層與基體的界面結(jié)合區(qū)形成冶金結(jié)合。2.2熔池上溫提取液微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)在1∶3的硝酸酒精混合溶液腐蝕劑作用下,試樣橫截面各區(qū)的顯微組織如圖3a-f所示。圖3a為熔覆層表層的組織,為大量紊亂的細(xì)小的樹(shù)枝晶和等軸晶,樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)主要受制于晶體生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向,只有那些與熱流反方向一致或相近的晶體才擇優(yōu)生長(zhǎng),否則會(huì)受到抑制。同時(shí)由于熔池上部散熱有多種渠道,既可以通過(guò)基體,又可以通過(guò)周圍環(huán)境,所以該區(qū)散熱具有多方向性,只要某一微區(qū)晶體的擇優(yōu)取向與該區(qū)的散熱反方向一致,該晶體既可長(zhǎng)大,故得到如圖3a所示方向紊亂的樹(shù)枝晶;隨著離表層距離的增加,其晶粒尺寸顯著長(zhǎng)大,形成一系列花瓣?duì)罱M織和較少的胞狀晶如圖3b所示,在靠近結(jié)合區(qū)又有所減小如圖3c所示;圖3d為結(jié)合區(qū)的形貌,腐蝕后,在顯微鏡下呈黑色,不易分辨,結(jié)合區(qū)底部柱狀晶緊靠在基體的熱影響區(qū),具有明顯外延生長(zhǎng)特征,是由界面前沿溫度梯度的降低、結(jié)晶速度的增加及界面擾動(dòng)的出現(xiàn)造成的,柱狀晶的生長(zhǎng)方向主要受熱流方向控制,為熱流的反方向,因熔池底部熱流方向垂直于固液界面,故生長(zhǎng)方向亦垂直于界面,如圖3e,f所示。2.3配合區(qū)形貌為進(jìn)一步分析熔覆層與基體的結(jié)合情況,在掃描電鏡下對(duì)該試樣橫截面進(jìn)行了觀察,并進(jìn)行了能譜分析。圖4a為熔覆層與結(jié)合區(qū)在掃描電鏡下的形貌,分別對(duì)A,B區(qū)放大如圖4a,b所示,在A區(qū)形成大量的片狀和針狀組織(見(jiàn)1,2),能譜分析結(jié)果表明結(jié)合區(qū)片狀和針狀組織為一種Mg40.89Ni11.74O47.37的金屬氧化物;在B區(qū)形成白色絮狀和韌窩狀組織,能譜分析結(jié)果表明白色絮狀為Mg28.14C17.64O54.22,黑色韌窩為Mg82.4O17.6(見(jiàn)圖4b中1,2)。2.4o2及mg組成圖5為熔覆層的X射線圖譜。由X射線結(jié)果可知,熔覆層主要由多種鎂金屬間化合物MgNi2,Mg2Ni,MgNiO2及Mg組成。分析其原因主要是因?yàn)樵诩す馊鄹策^(guò)程中,由于鎂合金熔點(diǎn)較低(560℃),所以在激光加熱過(guò)程中,有熔覆層傳遞給基體的熱量足夠使基體表層區(qū)域熔化形成熔池,處于熔池底部的鎂由于密度較低,在熔池中對(duì)流場(chǎng)和重力場(chǎng)的作用下將從熔池底部向整個(gè)熔池中擴(kuò)散,并占有一定的比例,結(jié)果使熔覆層形成多種鎂金屬間化合物的凝固組織。2.5顯微硬度分布的特點(diǎn)利用SHIMADZUHMV-2T系列維氏顯微硬度計(jì)對(duì)試塊進(jìn)行顯微硬度分析,施加載荷為0.05g。圖6為激光熔覆Ni60合金粉末后試樣剖面各個(gè)區(qū)域的顯微硬度分布圖。由于受熔池內(nèi)溫度梯度和液固界面前沿溶質(zhì)非平衡分配規(guī)律的影響,使熔覆層最終凝固組織呈明顯的梯度分布特征,從而決定了熔覆層硬度分布的特點(diǎn)。已由圖可以看出,經(jīng)激光熔覆Ni60合金粉末后顯微硬度由基體的HV45～50提高到HV150～350,約為基體的3～7倍。2.6輔助電極腐蝕測(cè)試腐蝕性能測(cè)量采用極化曲線法,腐蝕試驗(yàn)設(shè)備為PGASTAT30。采用三電極體系,腐蝕液為3.5%的NaCl溶液(分析純?cè)噭?去離子水配制),參比電極選用飽和甘汞電極,輔助電極為鉑Pt電極,以1mV/s的速度進(jìn)行掃描,腐蝕面積為1cm2,電位掃描區(qū)間為-2～2V。其極化曲線如圖7所示。經(jīng)測(cè)試,激光熔覆后熔覆層的自腐蝕電位為-1.170V,而基體自腐蝕電位-1.549V,熔覆層的自腐蝕電位比基體約提高0.379V,這說(shuō)明熔覆層在3.5%的NaCl溶液中腐蝕原動(dòng)力大為減小,其抗腐蝕性顯著提高。分析其原因是因?yàn)镹i60合金粉末本身耐腐蝕性能強(qiáng),激光加熱后,熔覆層組織明顯細(xì)化使得電偶腐蝕程度減弱以及鎂的金屬間化合物的形成等綜合作用使得熔覆層的耐蝕性較原始鎂合金顯著提高。3金屬間化合物(1)利用激光熔覆工藝在AZ31B鎂合金表面熔覆Ni60合金粉末制成的熔覆層組織高度細(xì)化,為細(xì)小的樹(shù)枝晶和等軸晶組成;熔覆層與基體呈冶金結(jié)合;結(jié)合區(qū)形成大量的針狀和片狀組織Mg40.89Ni11.74O47.37。(2)XRD分析結(jié)果