激光熔覆az31b鎂合金的試驗研究

由于密度低、強度高、剛度高、磁屏蔽性好、振動性好、切割加工性能好，在航空、汽車和電子通信等行業得到廣泛應用。專家預言,鎂合金作為一種新型的輕質金屬結構材料,將成為“21世紀新型的工業材料”。為此鎂合金及其加工技術也成為各個國家(尤其是德國、美國、日本、俄羅斯和中國)研究的熱點問題。但是鎂的化學穩定性低,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題最直接有效的方法。目前,對鎂合金進行表面改性的方法主要有化學轉化處理、陽極氧化處理、物理氣相沉積、激光表面處理、化學鍍及電鍍等。激光表面處理技術是近幾十年來迅速發展起來的一種材料表面改性技術。激光熔覆技術具有以下的工藝特點:加熱速度快,變形小,基體自冷速度快,產生快速凝固組織特征,易實現自動化控制;材料消耗少;加工不受外界磁場的影響等。在國外MaiwaldT等分別用Al+Cu,Al+Si和AlSi30合金粉末對AZ91E和NEZ210鎂合金進行激光熔覆試驗。最近兩年,關于鎂合金激光熔覆低熔點涂層的研究,研究者們又進一步發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。本工作利用橫流連續CO2激光器采用預置粉末法在氬氣保護下對AZ31B鎂合金表面進行熔覆Ni60合金粉末的研究,深入分析了其結合界面的組織及性能。1地層整理工藝試驗材料選用厚度為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的化學成分見表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烘4h,烘干溫度為110℃左右,烘干后在基體表面預置一層厚度為0.5mm的Ni60合金粉末,利用連續橫流CO2激光器對其進行激光熔覆試驗。其工藝參數為: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,處理過程中采用99.99%的高純氬氣進行保護,其流量為5L/min。激光熔覆后的試樣沿橫截面剖開,經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行腐蝕,腐蝕時間約為5～6s。利用CMM-20E型光學顯微鏡和JSM-6700F冷場發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(顯微硬度檢驗負荷為0.05g)及PS-168A型電化學測量系統分別測量分析試樣表層的顯微硬度及抗腐蝕性能。2試驗結果及分析2.1宏觀區域的劃分圖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。可見,試樣由表及里可分為三個區域:熔覆層、結合層和基體。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合區形成冶金結合。2.2熔池上溫提取液微區晶體結構在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,為大量紊亂的細小的樹枝晶和等軸晶,樹枝晶的生長主要受制于晶體生長的擇優取向,只有那些與熱流反方向一致或相近的晶體才擇優生長,否則會受到抑制。同時由于熔池上部散熱有多種渠道,既可以通過基體,又可以通過周圍環境,所以該區散熱具有多方向性,只要某一微區晶體的擇優取向與該區的散熱反方向一致,該晶體既可長大,故得到如圖3a所示方向紊亂的樹枝晶;隨著離表層距離的增加,其晶粒尺寸顯著長大,形成一系列花瓣狀組織和較少的胞狀晶如圖3b所示,在靠近結合區又有所減小如圖3c所示;圖3d為結合區的形貌,腐蝕后,在顯微鏡下呈黑色,不易分辨,結合區底部柱狀晶緊靠在基體的熱影響區,具有明顯外延生長特征,是由界面前沿溫度梯度的降低、結晶速度的增加及界面擾動的出現造成的,柱狀晶的生長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,故生長方向亦垂直于界面,如圖3e,f所示。2.3配合區形貌為進一步分析熔覆層與基體的結合情況,在掃描電鏡下對該試樣橫截面進行了觀察,并進行了能譜分析。圖4a為熔覆層與結合區在掃描電鏡下的形貌,分別對A,B區放大如圖4a,b所示,在A區形成大量的片狀和針狀組織(見1,2),能譜分析結果表明結合區片狀和針狀組織為一種Mg40.89Ni11.74O47.37的金屬氧化物;在B區形成白色絮狀和韌窩狀組織,能譜分析結果表明白色絮狀為Mg28.14C17.64O54.22,黑色韌窩為Mg82.4O17.6(見圖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為在激光熔覆過程中,由于鎂合金熔點較低(560℃),所以在激光加熱過程中,有熔覆層傳遞給基體的熱量足夠使基體表層區域熔化形成熔池,處于熔池底部的鎂由于密度較低,在熔池中對流場和重力場的作用下將從熔池底部向整個熔池中擴散,并占有一定的比例,結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利用SHIMADZUHMV-2T系列維氏顯微硬度計對試塊進行顯微硬度分析,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區域的顯微硬度分布圖。由于受熔池內溫度梯度和液固界面前沿溶質非平衡分配規律的影響,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。已由圖可以看出,經激光熔覆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輔助電極腐蝕測試腐蝕性能測量采用極化曲線法,腐蝕試驗設備為PGASTAT30。采用三電極體系,腐蝕液為3.5%的NaCl溶液(分析純試劑,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的速度進行掃描,腐蝕面積為1cm2,電位掃描區間為-2～2V。其極化曲線如圖7所示。經測試,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,這說明熔覆層在3.5%的NaCl溶液中腐蝕原動力大為減小,其抗腐蝕性顯著提高。分析其原因是因為Ni60合金粉末本身耐腐蝕性能強,激光加熱后,熔覆層組織明顯細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化,為細小的樹枝晶和等軸晶組成;熔覆層與基體呈冶金結合;結合區形成大量的針狀和片狀組織Mg40.89Ni11.74O47.37。(2)XRD分析結果