极端冷却速度下镁合金表面改性的组织和性能研究

基于轻质高强的优势，镁合金成为"陆海空天"交通运载装备领域最具发展潜力的结构材料。但目前常规环境下制备的镁合金材料耐蚀性低、耐磨性差及韧性小的劣势，制约了其广泛应用。本项目提出了半导体激光高温加热(甚至重熔) 液氮深冷技术，对镁合金材料表面进行改性处理。研究半导体激光与镁合金材料的作用机理，建立热源和移动温度场模型；研究极端冷却速度下镁合金材料的结晶机理、组织变化规律及温度恢复过程的组织变化，改性层与基体界面组织形态，改性层非晶化行为；研究改性层室温下的组织、化学及电化学腐蚀性能、耐磨性能、冲击和断裂韧性，以及改性层对镁合金疲劳性能的影响；进一步研究改性层性能适应相应工况条件的能力和损伤机制，提出适合于镁合金改性层的失效行为评定和寿命预测方法。研究成果有助于揭示极端温度环境下镁合金材料组织和性能，深化其金属学理论，对改善镁合金结构件表面性能及扩大镁合金材料的应用具有一定科学意义和应用价值。

随着制备技术的创新，镁合金材料的强度不断得到提高。但在常规环境下制备的镁合金材料的耐蚀性、耐磨性及韧性仍然较差，制约着镁合金材料的应用和发展。本项目意在采用激光快速加热+液氮快速及深冷技术，对镁合金材料表面进行改性处理研究。 项目深入研究了常温下激光与镁合金材料的作用和能量转化机制，建立了激光热源对深冷镁合金材料的加热机制模型、快速冷却模型和移动温度场模型。深冷镁合金材料对激光的吸收比常温镁合金材料对激光的吸收要低，激光加热和液氮深冷条件形成了目前材料加工方法中最快的冷却速度。. 在激光加热•液氮冷却的极端快速熔凝条件下，在镁合金表面成功获得了纳米晶和非晶的混合组织的改性层，在深度方向上改性层的组织结构成梯度变化，依次为：纳米晶层、亚微米晶层、过渡层。激光加热与液氮深冷相结合的方法，进一步加快了液-固界面温度梯度和凝固速率，且改性层各个区域温度梯度和冷却速度不同，故距改性层表层越近晶粒越细小。由于溶质元素Al大部分固溶于α-Mg中，改性层中β-Mg17Al12比未处理镁合金少得多。. 极端冷却条件下获得的镁合金改性层的显微硬度最高达148HV，约为基体的3倍。改性层的磨损形貌出现了表征磨粒磨损的磨脊和犁沟，极端冷却条件下的表面磨损失量最小，说明该条件更有利于镁合金表面磨损性能的提高。其表面力学性能的提高可归结为纳米细粒的弥散强化和局部区域非晶组织的形成。. 电化学腐蚀试验结果表明：液氮冷却改性层的腐蚀电位为-1439mV，比空气冷却熔凝层正移了26mV，比原始镁合金正移124mV。其腐蚀性提高的原因主要有：固溶度的扩大导致镁合金表面形成富铝钝化膜，增强了保护作用；局部区域非晶组织的形成以及第二相的弥散分布、晶粒细化减小阴阳极的接触面积，从而降低腐蚀速率，使其耐蚀性提高。. 在此极端冷却条件下，在镁合金表面进行了异质材料的熔覆，如熔覆Al-Si基纳米Si3N4，获得了特有的复合涂层。该复合涂层的最高硬度为286HV，比基体提高5-6倍；其腐蚀电位为-1185mV，镁合金表面的耐蚀性得到了极大改善。. 本项目提出的激光高温加热•液氮深冷技术可以有效地提高镁合金材料的表面综合性能，为镁合金材料制备和应用提供了一定的理论支持。共发表期刊论文12篇，申请国家发明专利4项，授权2项。