激光熔覆az31b镁合金的试验研究

激光熔覆az31b镁合金的试验研究

由于密度低、强度高、刚度高、磁屏蔽性好、振动性好、切割加工性能好，在航空、汽车和电子通信等行业得到广泛应用。专家预言,镁合金作为一种新型的轻质金属结构材料,将成为“21世纪新型的工业材料”。为此镁合金及其加工技术也成为各个国家(尤其是德国、美国、日本、俄罗斯和中国)研究的热点问题。但是镁的化学稳定性低,电极电位很低,耐蚀性差,且镁合金的耐磨性、硬度及耐高温性能也较差,在某种程度上制约了镁合金材料的广泛应用。改善镁合金材料的表面性能是解决镁合金腐蚀与磨损问题最直接有效的方法。目前,对镁合金进行表面改性的方法主要有化学转化处理、阳极氧化处理、物理气相沉积、激光表面处理、化学镀及电镀等。激光表面处理技术是近几十年来迅速发展起来的一种材料表面改性技术。激光熔覆技术具有以下的工艺特点:加热速度快,变形小,基体自冷速度快,产生快速凝固组织特征,易实现自动化控制;材料消耗少;加工不受外界磁场的影响等。在国外MaiwaldT等分别用Al+Cu,Al+Si和AlSi30合金粉末对AZ91E和NEZ210镁合金进行激光熔覆试验。最近两年,关于镁合金激光熔覆低熔点涂层的研究,研究者们又进一步发展了在镁合金基体上激光熔覆Al+Al2O3,Al+稀土,Al+Si+Al2O3,Cu-Zr-Al等的研究,其结果表明耐蚀性及耐磨性都显著提高[9,10,11,12,13,14]。但在镁合金表面激光熔覆Ni60合金粉末的研究还很鲜见。本工作利用横流连续CO2激光器采用预置粉末法在氩气保护下对AZ31B镁合金表面进行熔覆Ni60合金粉末的研究,深入分析了其结合界面的组织及性能。1地层整理工艺试验材料选用厚度为10mm的变形镁合金AZ31B,激光熔覆层材料选用具有很好的熔覆性,并有良好韧性、耐蚀性、耐磨性和抗氧化性的镍基自熔合金粉末Ni60,其形貌为比较均匀的球形颗粒,其颗粒度为-150～+320目。如图1所示,Ni60的化学成分见表1。激光熔覆前,将基材表面用80#金相砂纸均匀打磨表面,去除表面的氧化物和油污,并用丙酮清洗干净后晾干。Ni60合金粉末在烘干炉中持续烘4h,烘干温度为110℃左右,烘干后在基体表面预置一层厚度为0.5mm的Ni60合金粉末,利用连续横流CO2激光器对其进行激光熔覆试验。其工艺参数为:激光功率为3kW,扫描速度为180mm/min,激光束光斑直径为3mm,离焦量为+10mm,处理过程中采用99.99%的高纯氩气进行保护,其流量为5L/min。激光熔覆后的试样沿横截面剖开,经打磨抛光后制成金相试样,然后用1∶3的硝酸酒精混合溶液进行腐蚀,腐蚀时间约为5～6s。利用CMM-20E型光学显微镜和JSM-6700F冷场发射电子显微镜观察其微观组织、界面形貌及成分分布;利用SHIMADZUHMV-2T系列维氏显微硬度计(显微硬度检验负荷为0.05g)及PS-168A型电化学测量系统分别测量分析试样表层的显微硬度及抗腐蚀性能。2试验结果及分析2.1宏观区域的划分图2所示为AZ31B镁合金基体表面熔覆Ni60合金粉末后试样横截面的宏观照片。可见,试样由表及里可分为三个区域:熔覆层、结合层和基体。由于Ni60合金粉末具有良好熔覆性,并与镁合金基体有较好的物化相容性,熔覆层与基体的界面结合区形成冶金结合。2.2熔池上温提取液微区晶体结构在1∶3的硝酸酒精混合溶液腐蚀剂作用下,试样横截面各区的显微组织如图3a-f所示。图3a为熔覆层表层的组织,为大量紊乱的细小的树枝晶和等轴晶,树枝晶的生长主要受制于晶体生长的择优取向,只有那些与热流反方向一致或相近的晶体才择优生长,否则会受到抑制。同时由于熔池上部散热有多种渠道,既可以通过基体,又可以通过周围环境,所以该区散热具有多方向性,只要某一微区晶体的择优取向与该区的散热反方向一致,该晶体既可长大,故得到如图3a所示方向紊乱的树枝晶;随着离表层距离的增加,其晶粒尺寸显著长大,形成一系列花瓣状组织和较少的胞状晶如图3b所示,在靠近结合区又有所减小如图3c所示;图3d为结合区的形貌,腐蚀后,在显微镜下呈黑色,不易分辨,结合区底部柱状晶紧靠在基体的热影响区,具有明显外延生长特征,是由界面前沿温度梯度的降低、结晶速度的增加及界面扰动的出现造成的,柱状晶的生长方向主要受热流方向控制,为热流的反方向,因熔池底部热流方向垂直于固液界面,故生长方向亦垂直于界面,如图3e,f所示。2.3配合区形貌为进一步分析熔覆层与基体的结合情况,在扫描电镜下对该试样横截面进行了观察,并进行了能谱分析。图4a为熔覆层与结合区在扫描电镜下的形貌,分别对A,B区放大如图4a,b所示,在A区形成大量的片状和针状组织(见1,2),能谱分析结果表明结合区片状和针状组织为一种Mg40.89Ni11.74O47.37的金属氧化物;在B区形成白色絮状和韧窝状组织,能谱分析结果表明白色絮状为Mg28.14C17.64O54.22,黑色韧窝为Mg82.4O17.6(见图4b中1,2)。2.4o2及mg组成图5为熔覆层的X射线图谱。由X射线结果可知,熔覆层主要由多种镁金属间化合物MgNi2,Mg2Ni,MgNiO2及Mg组成。分析其原因主要是因为在激光熔覆过程中,由于镁合金熔点较低(560℃),所以在激光加热过程中,有熔覆层传递给基体的热量足够使基体表层区域熔化形成熔池,处于熔池底部的镁由于密度较低,在熔池中对流场和重力场的作用下将从熔池底部向整个熔池中扩散,并占有一定的比例,结果使熔覆层形成多种镁金属间化合物的凝固组织。2.5显微硬度分布的特点利用SHIMADZUHMV-2T系列维氏显微硬度计对试块进行显微硬度分析,施加载荷为0.05g。图6为激光熔覆Ni60合金粉末后试样剖面各个区域的显微硬度分布图。由于受熔池内温度梯度和液固界面前沿溶质非平衡分配规律的影响,使熔覆层最终凝固组织呈明显的梯度分布特征,从而决定了熔覆层硬度分布的特点。已由图可以看出,经激光熔覆Ni60合金粉末后显微硬度由基体的HV45～50提高到HV150～350,约为基体的3～7倍。2.6辅助电极腐蚀测试腐蚀性能测量采用极化曲线法,腐蚀试验设备为PGASTAT30。采用三电极体系,腐蚀液为3.5%的NaCl溶液(分析纯试剂,去离子水配制),参比电极选用饱和甘汞电极,辅助电极为铂Pt电极,以1mV/s的速度进行扫描,腐蚀面积为1cm2,电位扫描区间为-2～2V。其极化曲线如图7所示。经测试,激光熔覆后熔覆层的自腐蚀电位为-1.170V,而基体自腐蚀电位-1.549V,熔覆层的自腐蚀电位比基体约提高0.379V,这说明熔覆层在3.5%的NaCl溶液中腐蚀原动力大为减小,其抗腐蚀性显著提高。分析其原因是因为Ni60合金粉末本身耐腐蚀性能强,激光加热后,熔覆层组织明显细化使得电偶腐蚀程度减弱以及镁的金属间化合物的形成等综合作用使得熔覆层的耐蚀性较原始镁合金显著提高。3金属间化合物(1)利用激光熔覆工艺在AZ31B镁合金表面熔覆Ni60合金粉末制成的熔覆层组织高度细化,为细小的树枝晶和等轴晶组成;熔覆层与基体呈冶金结合;结合区形成大量的针状和片状组织Mg40.89Ni11.74O47.37。(2)XRD分析结果