镁合金表面闭合场磁控溅射离子镀与渗氮复合改性研究

论文摘要

本文针对AZ91D镁合金表面耐磨、耐腐蚀性能差等问题,首次尝试采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀膜技术在镁合金表面施镀Al/Ti多层膜,并结合等离子体渗氮对其进行表面改性。通过热力学计算,对镁合金表面表面复合改性可能生成的金属间化合物和出现氮化物相进行了预报;借助OM、SEM、XRD、EDS等手段,并结合显微硬度、耐磨性和耐蚀性能测试,对AZ91D镁合金表面Al/Ti多层膜及其渗氮层进行了形貌观察、改性层中的元素分布及表面相结构分析、及改性层的性能进行了表征。研究结果表明,Al/Ti多层膜表面呈现颗粒状组织,较为平整,但也存在少量缺陷;复合改性后,试样表面宏观上出现不同程度的褶皱,由于应力的作用,有些试样表面出现了明显的裂纹,微观上颗粒长大相互连接形成片状,致密度增加。复合改性后,膜层中出现了Al3Ti、Mg17Al12等金属间化合物,另外还检测到部分Mg,且发生了明显的择优取向。基于截面形貌观察及元素分布,Al/Ti多层膜呈现明显的多层状,渗氮处理后,基体与膜层发生了明显的扩散,其中Mg元素的扩散能力最强,随着温度的增加,Mg、Al之间发生了充分互扩散,这计算结果吻合较好。显微硬度测试结果表明,复合改性后试样的表面硬度随着渗氮温度的提高而增加。固溶态AZ91D镀10层膜后经425℃渗氮8h后其表面硬度高达200HV0.01,约为改性前的4倍。摩擦磨损结果指出,样品经镀渗复合改性后摩擦系数没有明显变化,但经过时效处理后,摩擦系数明显减小,摩擦性能有所提高。腐蚀性能结果表明,复合改性后样品的腐蚀电位较基体有了不同程度的提高,极化曲线测试结果及形貌观察显示,固溶态AZ91D镀10层膜并于375℃渗氮后样品的耐腐蚀性能最好。综合力学性能和耐蚀性能结果得出,固溶态AZ91D镀10层膜并于375℃渗氮后试样的综合性能较佳。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁及镁合金
• 1.2.1 纯镁的主要特性
• 1.2.2 镁合金性能
• 1.3 镁及镁合金的腐蚀行为
• 1.3.1 镁合金腐蚀的特点
• 1.3.2 镁及镁合金腐蚀类型
• 1.4 镁合金表面改性研究进展
• 1.5 物理气相沉积
• 1.6 化学热处理
• 1.7 论文研究目的和主要内容
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 研究内容
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验材料及其预处理
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 AZ91D 镁合金预处理
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 闭合场非平衡磁控溅射离子镀膜装置
• 2.2.2 等离子体多元共渗设备
• 2.3 试验方案设计
• 2.3.1 表面膜层制备
• 2.3.2 镁合金表面镀Ti/Al 后等离子体渗氮
• 2.4 表面改性层组织结构及性能测试
• 2.4.1 改性层组织结构分析
• 2.4.2 改性层性能测试
• 第3章 AZ91D 镁合金表面Al/Ti 多层膜表征及性能
• 3.1 引言
• 3.2 Al/Ti 多层膜的组织结构
• 3.2.1 Al/Ti 多层膜表面形貌及成分分析
• 3.2.2 Al/Ti 多层膜的相结构
• 3.2.3 Al/Ti 多层膜截面形貌及元素分布特征
• 3.3 Al/Ti 多层膜的性能
• 3.3.1 膜层显微硬度测试
• 3.3.2 膜层腐蚀性能测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 镀膜AZ91D 镁合金等离子体渗氮研究
• 4.1 引言
• 4.2 热力学计算
• 4.2.1 化合物相的吉布斯自由能计算原理
• 4.2.2 热力学计算结果
• 4.3 镀6 层Al/Ti 膜AZ91D 镁合金的等离子体渗氮
• 4.3.1 温度对AZ91D 镁合金表面改性层组织结构的影响
• 4.3.2 气体流量对AZ91D 镁合金表面改性层组织结构的影响
• 4.4 镀10 层Al/Ti 膜AZ91D 镁合金的等离子体渗氮
• 4.4.1 温度对AZ91D 镁合金表面改性层组织结构的影响
• 4.4.2 时间对AZ91D 镁合金表面改性层组织结构的影响
• 4.5 渗氮温度下表面层中元素扩散探讨
• 4.6 本章小结
• 第5章 AZ91D 镁合金表面复合改性后性能分析
• 5.1 复合改性表面层力学性能
• 5.1.1 改性层硬度
• 5.1.2 摩擦性能分析
• 5.2 改性层耐蚀性能与耐蚀机理
• 5.2.1 改性层耐蚀性能
• 5.2.2 改性层耐蚀机理
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢