离子束改性AZ31镁合金耐磨抗蚀复合性能研究

论文摘要

本文采用MEVVA 80-10型金属蒸发真空弧离子注入装置和TEMP-6型强流脉冲离子束（HIPIB）装置,分别开展了Al离子常温和高温注入、强流脉冲离子束辐照AZ31镁合金实验研究,揭示了离子束改性的表面成分、结构和性能变化规律,获得了具有耐磨抗蚀复合性能的改性表面,阐明了Al离子常温和高温注入、HIPIB辐照AZ31镁合金耐磨抗蚀复合改性机理。注入剂量分别为2×1016,6×1016和1×1017/cm2的Al离子常温和300℃高温注入AZ31镁合金,1×1017/cm2注入剂量下,常温和300℃高温注入Al离子的峰值浓度分别为10 at.%和8 at.%,注入深度为840和1200 nm。原始试样主要由α-Mg相组成,同时还含有少量的金属间化合物β-Mg17Al12相和MgO相。常温1×1017/cm2注入剂量下,表面β相含量增加,300℃高温2×1016/cm2注入剂量下,即有新的β相析出。Al离子常温和300℃高温注入AZ31镁合金,在载荷为5 N和20 N,滑动速度为2mm/s的往复式干滑动磨损条件下,以及在pH=12的0.01-0.08 mol/l NaCl溶液中,获得了具有耐磨抗蚀复合性能的改性表面。载荷为5 N,磨损10 min,注入剂量为2×1016/cm2的常温注入试样,磨损量降低约20%。载荷为20 N,磨损20 min,注入剂量为2×1016/cm2的常温注入试样磨损量降低约30-40%,注入剂量为6×1016/cm2的300℃高温注入试样磨损量降低约15-20%。载荷为5 N条件下,原始镁合金呈现以显微切削为主的磨粒磨损机理,Al离子注入没有改变镁合金的磨损机理,但塑性变形程度和磨粒磨损倾向明显减小。载荷为20 N条件下,发生了从原始试样金属磨粒磨损到离子注入试样氧化磨损机理的转变。在pH=12的0.01 mol/l NaCl溶液中,Al离子注入试样阳极极化性能较原始试样明显改善,注入剂量为6×1016/cm2的Al离子300℃高温注入试样,具有优异的抗蚀性能,腐蚀电位和孔蚀击穿电位较原始试样分别提高约400和800 mV,维钝电流密度比原始试样降低了约一个数量级。在pH=12的0.08 mol/l NaCl溶液中,注入剂量为1×1017/cm2的Al离子常温和300℃高温注入试样,腐蚀电位较原始试样分别提高约180和280 mV,孔蚀击穿电位分别提高约150和220 mV。Al离子常温及300℃高温注入AZ31镁合金耐磨抗蚀复合性能的改善,主要归因于镁合金表面富集Al的固溶增强作用,以及β-Mg17Al12的第二相弥散增强作用。束流密度为100-300A/cm2,辐照次数为1-10,HIPIB辐照AZ31镁合金表面形成了以局部烧蚀坑和熔融扰动为主要特征的烧蚀形貌。随着束流密度和辐照次数增加,熔化层和热影响区的显微组织较原始试样明显细化。由于HIPIB重复的快速熔化和凝固,镁合金表面化学成分趋于均匀化,显微结构细化,第二相β-Mg17Al12分布均匀。利用HIPIB辐照AZ31镁合金,在载荷为0.1-0.5 N,滑动速度为0.08 m/s,磨损时间为5 min的球盘式干滑动磨损条件下,以及在pH=12的0.01-0.5 mol/l NaCl溶液中,获得了具有耐磨抗蚀复合性能的改性表面。载荷为0.1 N条件下,300 A/cm2,10次辐照试样具有最优的耐磨减摩性能,摩擦系数由原始试样的0.378减小到0.338,磨损量较原始试样降低约75%。载荷为0.2和0.5 N条件下,300 A/cm2,10次辐照试样的摩擦系数分别由原始试样的0.364和0.361减小到0.334和0.313,磨损量较原始试样分别降低约40%和15%。HIPIB辐照镁合金试样仍然以磨粒磨损为主,但被辐照试样的磨粒磨损倾向较原始试样大大降低,主要表现为塑性变形程度的减轻和磨痕表面犁沟的变细变浅,同时磨痕局部呈现氧化磨损特征。在pH=12的0.01 mol/l NaCl溶液中,HIPIB辐照试样的阳极极化性能较原始试样明显改善,100 A/cm2,5次辐照试样具有优异的抗蚀性能,腐蚀电位和孔蚀击穿电位较原始试样分别提高约560和630 mV。原始试样形成的大块腐蚀产物及在腐蚀过程中发生的开裂现象,在被辐照试样表面得到明显减轻,可观察到面积较大的未遭受腐蚀破坏的表面钝化特征。随着Cl-浓度增大,原始试样和被辐照试样的抗蚀性能均降低,但被辐照试样的抗蚀性能仍然优于原始试样。被辐照表面化学成分的均匀化和显微组织的细化是HIPIB辐照AZ31镁合金耐磨抗蚀复合性能改善的主要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 镁合金耐磨抗蚀表面工程
• 1.1.1 镁合金发展现状与面临的问题
• 1.1.2 镁合金耐磨抗蚀表面改性
• 1.1.3 镁合金离子束耐磨抗蚀表面改性
• 1.2 离子注入技术及其原理
• 1.2.1 常规离子束
• 1.2.2 强流脉冲离子束
• 1.3 本论文的研究目的和内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 离子束表面改性工艺及改性表面分析测试方法
• 2.1 离子束表面改性工艺
• 2.1.1 金属离子束常温及高温注入
• 2.1.2 强流脉冲离子束辐照
• 2.2 实验材料
• 2.3 表面形貌、成分及结构分析
• 2.4 摩擦学性能分析
• 2.5 腐蚀性能分析
• 第三章 Al离子注入AZ31镁合金的表面成分及结构
• 3.1 Al离子常温注入AZ31镁合金
• 3.1.1 Al浓度-深度分布实验分析
• 3.1.2 Al浓度-深度分布模拟计算
• 3.1.3 相结构分析
• 3.2 Al离子高温注入AZ31镁合金
• 3.2.1 Al浓度-深度分布实验分析
• 3.2.2 Al浓度-深度分布模拟计算
• 3.2.3 相结构分析
• 3.3 讨论
• 3.3.1 Al离子注入剂量对离子注入层相结构的影响
• 3.3.2 Al离子注入温度对离子注入层Al浓度-深度分布和相结构的影响
• 3.4 小结
• 第四章 Al离子注入AZ31镁合金的摩擦学与腐蚀性能
• 4.1 Al离子常温和高温注入AZ31镁合金的摩擦学性能
• 4.1.1 表面显微硬度
• 4.1.2 摩擦系数与磨损量
• 4.1.3 磨痕的表面形貌及成分分析
• 4.2 Al离子注入AZ31镁合金的腐蚀电化学性能
• 4.2.1 Al离子常温注入AZ31镁合金的阳极极化性能
• 4.2.2 Al离子高温注入AZ31镁合金的阳极极化性能
• 4.3 讨论
• 4.3.1 Al离子注入温度对AZ31镁合金腐蚀电化学性能的影响
• 4.3.2 Al离子注入剂量对AZ31镁合金腐蚀电化学性能的影响
• 4.3.3 Al离子注入AZ31镁合金耐磨抗蚀机理
• 4.4 小结
• 第五章 强流脉冲离子束辐照AZ31镁合金的表面形貌、成分及结构
• 5.1 辐照AZ31镁合金的表面形貌
• 5.2 辐照AZ31镁合金的表面成分
• 5.3 辐照AZ31镁合金的组织和相结构
• 5.4 辐照AZ31镁合金的微结构
• 5.5 讨论
• 5.5.1 辐照参数对AZ31镁合金表面烧蚀行为的影响
• 5.5.2 强流脉冲离子束辐照AZ31镁合金的烧蚀机制
• 5.6 小结
• 第六章 强流脉冲离子束辐照AZ31镁合金的摩擦学与腐蚀性能
• 6.1 强流脉冲离子束辐照AZ31镁合金的摩擦学性能
• 6.1.1 表面显微硬度
• 6.1.2 摩擦系数与磨损量
• 6.1.3 磨痕、磨屑以及对磨副的表面形貌和成分
• 6.2 强流脉冲离子束辐照AZ31镁合金的腐蚀电化学性能
• 6.2.1 辐照AZ31镁合金的阳极极化性能
• 6.2.2 辐照AZ31镁合金的腐蚀表面形貌和成分
• 6.3 讨论
• 6.3.1 辐照参数对AZ31镁合金摩擦学与腐蚀电化学性能的影响
• 6.3.2 强流脉冲离子束辐照AZ31镁合金耐磨抗蚀机理
• 6.4 小结
• 第七章 总结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢