不同工艺对AZ91D镁合金表面强化的研究

　1. 引言

　　镁合金具有的密度小,比强度、比刚性高等物理性质使其在在汽车、通信电子和航天航空等领域正 得到日益广泛的应用。但是镁合金硬度低,不耐磨损等缺陷严重限制了其的应用,在实际运 用中有必要对镁合金表面进行强化。

　　目前常用的 AZ 系镁合金强化工艺有很多,效果也差异很大:镁合金经热处理后,合金的强度和 硬度提高,但塑性降低;化学氧化处理后,化学转化膜较薄,且质脆多孔,耐磨性、耐蚀性不 太好,只能减缓腐蚀速度,并不能有效防止腐蚀,优点是工艺简单;热喷涂,在镁合金表面增 加一层金属涂层,可以有效提高镁合金表面的耐腐蚀性能,但是由于镁合金十分活泼,表面会迅速生 成氧化膜,妨碍沉积的金属与基底形成金属–金属键;激光表面处理,激光表面处理技术具 有环境污染小、非接触加工和对基体热影响小等优点,并且能够获得比传统处理方法更好的表面改性 效果。AZ91D 镁合金经表面处理后,其耐腐蚀性能以及耐磨性能都有显著提高,本 文采用多种工艺强化 AZ91D 镁合金表面,系统的比较各种工艺对镁合金表面的影响,找出最佳的强化工艺。

　　2. 试验材料及试验方法

　　实验选用原材料为镁合金 AZ91D 板材,试样尺寸为 32 mm × 40 mm × 6 mm,具体化学成分如表 1 所示:

　　试验前用水磨砂纸预磨粗抛,去除样品表面的自然氧化膜,用酒精清洗,干燥。

　　试验方法包括化学氧化处理,采用强氧化性的酸性试剂,对试样表面进行氧化,制备氧化膜;热喷 涂金属涂层,镁合金热镀一层三氧化二铬(Cr2O3),Cr2O3 可以有效的增加镁合金的耐磨性能,但是会改变 表面颜色;激光表面处理,采用大族激光有限公司 EP-G5 型 532 nm 脉冲激光器,对试样进行表面处理, 造成镁合金表层熔化,重凝。

　　采用 HBa-1 型巴氏硬度计检测试样硬度;耐磨试验在 HT-500 高温摩擦磨损机上进行,试验参数见 表 2,用 METTLER AT200 电子天平确定磨损量;采用 BRUKER D8 ADVANCE X 射线衍射仪(Cu Kα 辐 射,λ = 0.15406nm)对试样进行 X 射线衍射分析;用 Nikon OPTIPHOTXP 型光学显微镜(OM)及 ZEISS Ultra 55 型扫描电子显微镜(SEM)对试样组织形貌及微观组织结构进行分析。

　　3. 实验结果

　　3.1. 硬度分析

　　采用巴氏硬度计测量各试样的表面硬度,具体如图 1 所示。从图 1 中可以看出,未处理的试样硬度最低,经过表面强化后的试样表面硬度均有不同程度上升, 其中化学氧化处理后硬度从40 HBa上升至51 HBa,试样表面的镁被氧化,使得硬度上升;金属涂层处 理后试样表面硬度上升至 55 HBa,原因是热喷涂金属涂层的硬度远大于镁合金的表面硬度;而激光表面 处理后,表面硬度上升至 57 HBa,硬度增加了 43%,主要原因是激光处理过程是快速冷却过程,晶粒细 化,导致表面晶粒度减小,增加了试样表面的位错数目,硬度上升。

　　3.2. 摩擦磨损试验分析

　　磨损试验采用试验参数如表 2 所示,摩擦方式采用球盘式。将测试温度设定到室温,通过加载机构 加上试验所需载荷,同时驱动样品盘上的摩擦试块转动,使其与对偶球进行摩擦。HT-500 型高温摩擦磨 损试验机可以自动检测试验即时温度、摩擦系数等数据并进行即时图形显示和数据存储。摩擦数据如表 3 所示。

　　由表可知,在磨损实验中,表面处理后的试样无论是摩擦系数最大值,或最小值,均有减小。从平 均值看出,激光处理后的试样在磨损过程中表现出的摩擦系数最小。磨损实验实时记录数据如图 2 所示。 从图 2 可知,在摩擦实验过程中,摩擦系数一直在变化,无明显的周期性,且原始试样摩擦系数较 大,波动幅度也很大,但表面处理工艺后的试样摩擦系数均减小,经工艺处理后摩擦系数波动性均减小,其中化学氧化工艺和激光强化工艺的效果很明显。

　　从图 3 可知,表面处理后,除化学氧化工艺处理的试样磨损量有所增加外,其他两种均有下降。金属涂层后,磨损量有较大幅度的下降,仅 8 mg;而激光处理后的试样,磨损量只有 2 mg,仅为初始值的 10%。

　　综合图表可知,化学氧化工艺处理后的试样摩擦系数有很大下降,但是摩擦系数的波动性增大,磨 损量增加,原因是此工艺制备的氧化膜质脆且多空,在磨损试验中,正常脱落的部分会带走部分试样; 金属涂层处理后,表面的摩擦系数有小幅度下降,其稳定性上升很大,磨损量大大降低,原因是在镁合 金表面镀的 Cr2O3 平整,致密,但是缺点是此工艺镀的涂层太薄,对摩擦系数的降低效果不明显;相比 之下,激光强化处理后的试样表现优异,不仅摩擦系数最大值最小值均有大幅度下降,连平均值也有很 大下降,磨损量大幅度降低仅为原始值的 10%,从摩擦力来看,激光处理后表面摩擦力下降了 35%。以 上数据说明,激光强化工艺适用于提升镁合金的表面性能。

　　3.3. 试样表面物相分析

　　材料薄膜的组织结构对材料的表面性能有很大的影响,采用 X 射线衍射分析各种工艺加工后的材料表面组织,如图 4 所示。

　　由图可见,不同工艺处理后的镁合金表面和原始镁合金表面均由 α-Mg 和 β-Mg17Al12 构成。但利用参 比强度法计算所得到 Iβ/Iα(β 相的强度与 α 相的强度比)对比发现,表面强化后的表面氧化层中的 Iβ/Iα 要 大于原始镁合金中的 Iβ/Iα。即经各工艺强化后,试样表层中的 β-Mg17Al12 的含量有所增加,且激光强化 后增加的最为明显,主要因为激光强化过程中,高能量密度的激光束使熔凝层中的镁元素烧损,从而导 致铝元素相对含量升高,远远超过铝在 α-Mg 中的固溶度,导致过饱和的铝以 β 相形式析出。研究表明, 镁合金表面的 β-Mg17Al12 含量的增加可以有效的提高镁合金的耐磨性能。

　　经过相关软件计算得出,各种工艺处理后的晶格尺寸及应变参数如表4。

　　由表 4 可知,与原样比较,经过处理后的镁合金晶粒尺寸均有所减小,其中化学氧化处理最为明显, 减少了 1146 ?,晶粒尺寸仅为原来的 36%;使用激光表面处理后,晶粒尺寸减少超过 50%;金属涂层处 理后,晶粒尺寸减少了 1/3。原样的晶格应变较小,经过加工后的晶格应变均有所增加,其中激光表面处 理后,晶格应变增加最显著,大约为原来的 2.5 倍。化学氧化工艺处理后,晶格应变大约是原样的 2 倍, 金属涂层处理后,晶格应变大约是原样的 1.4 倍。

　　3.4. 试样显微组织分析

　　截取一小块的试样,经过处理后用 OM 观测其截面组织,从图 5 可知,在原始试样中,晶粒较大,弥散分布的 β 相较少;而化学氧化处理后的表层有很多空洞,即氧化层疏松,且强化相不明显;金属涂 层处理后的表面平整,致密,β 相无明显变化;激光强化处理后的试样靠近表面的晶粒小,内部晶粒较 大,且强化相 β 相明显增多。

　　图 6 是试样的截面照片,原样的表面氧化膜分为 3 层,最外层是几个微米厚的小块板状的结构,中 间层是很薄的疏松结构,后面的氧化层呈网状;化学氧化处理后的试样多孔,与文献报道的用化学氧化 工艺强化镁合金表面的表面氧化膜相同;金属涂层处理后的截面显示镀的金属涂层很薄,仅几个微米, 这可能就是金属涂层处理后的试样耐磨性增加不大的原因;激光强化处理后的试样表面也分好 3 层,最 外层的熔凝区,中间是热影响区,里层为试样基底。

　　图 7 是试样表面的 SEM 照片,由图可知,化学氧化后的试样表面很不均匀,能看见很多的缺陷,对 镁合金的表面性能有很大的影响;金属涂层由于采用的工艺简单,效果不明显,制备的试样表面也不是 很平整,但是氧化膜的完整性远超化学氧化处理的;激光强化处理后的试样表面呈现有规律的微观结构, 原因是激光强化时,光斑太小,能量过于集中,烧蚀了焦点附近的试样。

　　综合上述金相和 SEM 图片,原始试样表面的氧化层呈现出一个共同的特点:呈多孔状。这种多孔状 的氧化膜对镁合金基体并无良好的腐蚀防护作用,且膜质脆;

　　镁合金激光强化过程中,凝固速率很快。有金属学原理可知,在凝固速度很快的情况下,凝固过程 显著地偏离平衡,溶质截留效应增强,使得溶质分配系数趋于 1:

　　熔凝过程的快速凝固,使溶质滞留效应增强,熔凝层的成分均匀化,使合金元素及杂质元素的固溶度增加。对于镁合金激光强化来说,激光强化使熔凝层中 β 相增加,同时使熔凝层的枝晶细化,由于激 光强化的光斑小,形成的熔池较小,周围基体散热条件较好,使得随后凝固过程中晶核在长度和宽度方 向都没有充分时间长大,冷却速度较大,形成的枝晶尺寸较细小。细晶强化不仅可以改善材料的硬度,还可以增强材料的塑性和韧性。结合 Hall-Petch 公式:

　　由 XRD 数据分析可知,各工艺处理后的试样表面晶粒尺寸均减小,即试样屈服强度变大。

　　4. 结论

　　综合全文得出以下结论: