镁合金低温冶金扩散渗金属的化学位梯度增强方法及机制研究

镁合金表面热扩散渗金属是极具发展潜力的镁合金表面防护技术，而如何降低热处理温度以避免其对基体的不利影响是镁合金扩散渗金属研究的热点和难点。本项目提出"化学位梯度增强"渗金属的研究思路，即通过熔盐在渗层两端建立一个强化学位梯度，以加速元素扩散。对镁合金在典型铝熔盐中的低温渗铝行为与冶金扩散层性能进行系统研究。采用惰性标记物法结合传统的冶金扩散层生长动力学分析，并通过与无化学位梯度增强的传统固体粉末渗铝体系与镁铝固固扩散偶的对比，系统揭示化学位梯度增强下，冶金扩散层形成过程中活性原子初始沉积的特殊规律及元素（基体元素、欲渗元素）传质加速的特殊行为与机制。阐明低温所获冶金扩散层的耐腐蚀性能与机制，并指出其与传统高温所获冶金扩散层的差异。该研究对镁合金表面冶金扩散层的低温制备与应用具有显著实际意义，同时，对了解化学位梯度增强氛围下，冶金扩散层形成的特殊规律以及腐蚀与力学性质的变化具有重要科学意义。

提出并实现了基于化学位梯度增强渗金属的低温制备镁合金表面冶金扩散层的方法。研究结果表明采用这一方法，纯镁及其合金在很低的温度区间内（280~400℃）就可获得连续的富铝冶金扩散层，从而避免了传统固体粉末渗金属工艺温度过高给镁合金基体带来的不利影响。如采用化学位梯度增强渗铝体系，AZ91D镁合金在280℃下进行热扩散渗铝处理，即可得到连续致密的冶金扩散层。当处理温度为280~320℃时，所获冶金扩散层为单一的Mg17Al12金属间化合物，当处理温度为360~400℃时，所获冶金扩散层出现明显的分层结构，其中外层为Mg2Al3相层，内层为Mg17Al12相层。经低温渗铝所制备的冶金扩散层呈现为连续金属间化合物，其组织结构明显不同于传统高温固体粉末渗处理所得的富含γ-Mg17Al12的两相结构。低温所获冶金扩散层的形成机理依赖于反应扩散过程，而传统高温固体粉末渗处理所获表面冶金层的形成取决于Mg/Mg17Al12共晶反应。当渗铝温度从320℃升高至400℃时，Mg17Al12相层的互扩散系数从2.2×10-12 cm2/s增大到9.6×10-11 cm2/s，激活能为155.9 kJ/mol；当温度从360℃升高至400℃时，Mg2Al3相层的互扩散系数从3.5×10-10 cm2/s增大到7.4×10-10 cm2/s，激活能为66.3 kJ/mol。AZ91D镁合金经渗铝处理后，其表面硬度得到显著提高。表面合金化样品的腐蚀电流密度较未处理样品降低了1个数量级以上，该冶金扩散层的电化学防护机理为阳极控制保护。局部电化学技术表征发现，经渗铝处理后，AZ91D镁合金样品表面的局部交流阻抗值（f=10Hz）提升了约11倍，同时局部腐蚀电流密度降低了约24倍，表明低温渗铝处理可显著提高镁合金样品的耐蚀性能。本项目所得研究结果对镁合金表面冶金扩散层的低温制备与应用具有显著实际意义，同时，对了解化学位梯度增强氛围下，冶金扩散层形成的特殊规律以及腐蚀与力学性质的变化具有重要科学意义。围绕上述研究内容，已发表SCI收录论文5篇（全部标注有基金资助）。截止2013年12月，标注有基金资助的论文被SCI论文他引22次。并发表了镁合金扩散涂层领域方面的首篇英文综述论文，论文发表后，连续2个季度都进入了期刊热门下载排行榜前25名。此外，申请国家发明专利1项，培养本科生2名和博士后1名。