铝合金电子束扫描表面处理的研究

论文摘要

铝合金未经强化处理不具备良好的耐摩擦耐磨损性能,这很大程度上限制了铝合金的应用。若能提高铝合金的表面硬度和耐磨性,则能扩大其在新领域中的广泛应用。电子束表面处理可以提高铝合金材料的表面硬度、增加耐磨性。本课题是对铝合金电子束扫描表面强化处理的研究,试验采用HDZ-6F高压数控真空电子束焊机对ADC12铝合金进行表面改性,用Tension金相显微镜观察组织结构,HMV-ZT显微硬度试验机进行硬度测试,TSM-56102V扫描式电子显微镜拍摄金相照片和EDS成分测试;HT-500高温摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验等手段。分析了铝合金表面电子束扫描熔凝处理对组织和性能影响;通过对大量实验结果的分析,讨论电子束功率密度、扫描频率、下束时间等电子束参数对铝合金表面强化层深度和宽度的影响规律;研究了在铝合金表面添加纳米Fe-Al混合粉后,经电子束扫描后得到的合金层的组织和性能的变化规律;分析了纳米Fe粉含量对合金化层组织和性能影响;探讨了铝合金材料表面添加纳米Al-Al2O3混合粉后,电子束陶瓷层组织和性能的变化。研究结果表明:铝合金经电子束直接扫描处理后,能够得到细晶粒的表面层组织,同时生成了非平衡态的共晶体和金属间化合物新相,硬度提高1.39倍,并且铝合金的耐磨性提高。随着电子束功率密度增加,电子束扫描熔化区域的深度和宽度增加。在其它条件相同的情况下,下束时间越长,表面强化层的深度和宽度越大;扫描频率对表面强化层的深度和宽度以及表面强化区域大小的影响不大,但可以提高强化层组织的均匀性。铝合金纳米合金化后,可形成2～10mm的合金化层,具有网状骨骼的亚共晶组织,同时生成了许多金属间化合物等新相,硬度提高4倍,合金层层的耐磨性远高于高于基体。合金层硬度随铁含量的增加而增加,Fe粉含量大约为50%时合金层的耐磨性最佳,是基体材料的6倍;铝合金材料表面添加纳米Al-Al3O2混合粉,经电子束扫描处理后,可在表面形成大约5mm强化层;硬度提高4.56倍,陶瓷层的耐磨性大大高于基体。利用电子束扫描进行铝合金表面强化处理的方法,提高了铝合金材料的表面硬度,增加耐磨性,为铝合金零件的实际生产应用提供行之有效的工艺方法。并对铝合金表面强化的研究具有一定的实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 电子束表面强化处理的研究现状
• 1.2.1 国外电子束表面强化的发展及研究现状
• 1.2.2 国内电子束表面强化处理的发展及研究现状
• 1.3 电子束表面强化处理物理基础及分类
• 1.3.1 电子束表面强化处理的物理基础
• 1.3.2 电子束表面强化处理的类型
• 1.4 课题的来源
• 1.5 课题的研究意义
• 1.6 论文的主要内容及创新点
• 第二章 试验设备与研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 基体材料
• 2.1.2 纳米粉材料
• 2.2 电子束设备与扫描方式
• 2.2.1 电子束焊机的性能参数与工作原理
• 2.2.2 扫描方式
• 2.3 强化层试样的制备方法
• 2.4 组织和性能测试方法
• 2.4.1 显微硬度的测定
• 2.4.2 显微形貌的观测和成分分析
• 2.4.3 组织结构分析
• 2.4.4 耐磨性的测定
• 2.5 本章小结
• 第三章 铝合金电子束表面熔凝处理
• 3.1 试验方法及工艺参数的选择
• 3.1.1 试验方法与试验步骤
• 3.1.2 参数选择
• 3.2 试验结果分析
• 3.2.1 组织特征分析
• 3.2.2 显微硬度的测试
• 3.2.3 耐磨性测试
• 3.3 电子束扫描参数对铝合金组织形貌的影响
• 3.3.1 电子束功率密度的影响
• 3.3.2 下束时间的影响
• 3.3.3 扫描频率的影响
• 3.4 缺陷分析
• 3.4.1 裂纹形成原因
• 3.4.2 气孔的形成
• 3.5 本章小结
• 第四章 铝合金电子束扫描表面纳米合金化
• 4.1 试验方法及参数选择
• 4.1.1 纳米合金化
• 4.1.2 试验方法与试验步骤
• 4.1.3 分析与测试方法
• 4.1.4 工艺参数的选择
• 4.2 试验结果分析
• 4.2.1 组织特征分析
• 4.2.2 显微硬度的测试
• 4.2.3 耐磨性分析
• 4.3 纳米Fe 粉含量对合金化试验组织和性能的影响
• 4.3.1 铁粉含量对微观组织的影响
• 4.3.2 铁粉含量对显微硬度的影响
• 4.3.3 铁粉含量对耐磨性的影响
• 4.4 铝合金表面熔凝处理与合金化试验结果比较
• 4.4.1 金相组织的比较
• 4.4.2 显微硬度的比较
• 4.4.3 耐磨性的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 铝合金电子束扫描表面纳米陶瓷化
• 5.1 试验材料及工艺参数的选择
• 5.1.1 试验方法与试验步骤
• 5.1.2 分析与测试方法
• 5.1.3 工艺参数的选择
• 5.2 试验结果分析
• 5.2.1 组织特征分析
• 5.2.2 显微硬度分析
• 5.2.3 耐磨性分析
• 5.3 铝合金表面熔凝处理与合金化、陶瓷化试验结果比较
• 5.3.1 金相组织的比较
• 5.3.2 显微硬度的比较
• 5.3.3 耐磨性的比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间主要研究成果