镁合金 ZA31 强流脉冲电子束表面渗铝及其耐蚀性.doc

《镁合金 ZA31 强流脉冲电子束表面渗铝及其耐蚀性.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《镁合金 ZA31 强流脉冲电子束表面渗铝及其耐蚀性.doc（7页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、精品论文镁合金 ZA31 强流脉冲电子束表面渗铝及其耐蚀性李刚，况军，邱星武，邱玲辽宁工程技术大学材料科学与工程系 辽宁阜新 123000E-mail：aiyuanyuan810摘要：利用强流脉冲电子束对镁合金 AZ31 表面进行快速铝合金化，将精细铝粉预涂在基 体表面后采用强流脉冲电子束对其进行后处理。电子束的高能量使得表面的铝粉快速熔化。 扩散效应和热应力的共同作用，使部分铝熔入基体表层形成一层富铝层。由于铝的添加有利 于在镁合金表面形成氧化膜，因此，镁合金 AZ31 经强流脉冲电子束表面铝合金化后，耐腐 蚀性能显著提高。关键词：强流脉冲电子束，表面合金化，耐蚀性，镁合金1. 引言众所周知

2、，工程材料的破坏主要有三种形式：腐蚀、磨损和断裂。其中腐蚀与磨损是与 材料表面成分和结构密切相关的。在不改变材料基体成分与结构的基础上，通过表面改性技 术和手段，在块体材料表面生成一层性能优良的薄膜或改性层，是提高抗磨损与抗腐蚀性能 的最有效方法1-3。工业纯镁的力学性能很低，很少直接用做结构材料，但通过形变硬化、 晶粒细化、合金化、热处理等手段和方法，镁的力学性能将会得到大幅度的改善。在这些方 法中，镁的合金化是实际应用中最基本、最常用、和最有效的强化途径，其他方法大多建立 在镁的合金化基础上。近些年来，以强脉冲束流为加工手段的表面改性技术得到迅速发展4-5。利用强脉冲束 流进行材料表面处理

3、时，入射能量瞬间沉积在工件表面薄层内，形成温度梯度极高的热作用 区。当加热温度足够高时，受热表层中会出现熔化、汽化及熔体喷发等物理过程。与此同时， 非均匀的温度分布可诱发强烈的应力耦合作用，致使表层材料在晶体学缺陷形式、数量和分 布等方面发生显著变化。强流脉冲电子束（HCPEB）是一种新型的高能密度荷电粒子束流， 它以加速电子为能量载体，并具有以下优点：（1）电子的质量很小，引出与控制相对容易实 现，产生装置简单可靠；（2）加速电压相同时，电子束的入射能量作用范围远远超过离子束， 有利于形成较厚的改性层；（3）处理金属材料时，电子束与激光束虽同属“纯能量”加工形式， 但电子能量的吸收利用率受材

4、料表面状态影响较小；（4）电子束辐照处理在较高真空环境中 实现，可以有效抑制材料的高温氧化和污染等问题。2. 实验材料及方法2.1 样品制备本次实验所选的材料是变形镁合金 AZ31，轧制态的板材。表 1 为镁合金 AZ31 的化学 成分。镁合金表面涂覆一层铝粉。将镁板线切割成 15155mm3 的试样块。试样经过打磨但 没有抛光。所用的铝粉的粒度为 200 目,纯度为 99.999。用 502 胶水涂在试样的表面，将 铝粉均匀的洒在其的表面。制成厚度大约为 200-300m 的铝层。- 7 -表 1 镁合金 AZ31 化学成分表（wt%）Tablet. 1 Table of Mg Alloys

5、 AZ31 Chemical composition（wt%）elementAlZnMnSiFeCuNiMgAZ312.53.50.61.40.21.00.10.0050.050.005balance2.2 强流脉冲电子束处理本次实验所采用的是俄罗斯 “Nadezhda-2”型强流脉冲电子束设备。脉冲电子束合金化 处理参数如下：样品室背景真空度为 510-3Pa, 脉冲次数分别为 2、5、10、18 和 30 次，脉 冲电子束加速电压 25 KV，靶源距离 80mm。2.3 表层形貌和成分分布处理试样的表面、截面组织及成分分析分别在 LEICA QWIN 金相显微镜和 EPMA-1600 型电

6、子探针上完成。表面相结构测量在 XRD-6000 型 X 射线衍射仪上完成的，采用 Cu 靶， 扫描范围为 20-100。2.4 腐蚀测试处理后试样的耐蚀性分析在 EG&G M273 设备上进行。实验采用三电极系统，参比电 极为饱和甘汞电极（SCE）, 辅助电极为 Pt 电极，样品为工作电极。扫描速度 1mV/s，自腐 蚀电位由系统根据极化曲线转折点确定。自腐蚀电流根据 Tafel 方程，由偏离自腐蚀电位50100mV 数据点（E-LogI 图）拟合直线方程所得。极化电阻则由偏离自腐蚀电位 010mV 数据点（E-I 图）拟合直线方程，斜率即为极化电阻（Rp）。所使用的测试液为 5%NaCl

7、溶 液。3. 实验结果与讨论3.1 渗铝后的表面及截面形貌分析 处理区涂层 处理过渡区 脱落区 处理区涂层截面 处理过渡区截面 脱落区截面图 1 试样示意图Fig 1 Schematic drawing of specimenabcdef图 2 强流脉冲电子束处理后表面及截面形貌。从上至下分别对应处理区涂层，处理过渡区，脱落区。Fig 2 After high current pulsed electron beam, microstructure of surface and section. From up to down , there are processing area coati

8、ng, processing transition region, falls off the area.图 1 为强流脉冲电子束加速电压为 25KV，脉冲 18 次的试样示意图。图 2-a、b、c 分别为强流脉冲电子束辐照处理后的处理区涂层，处理过渡区以及脱落区的显微组织。从宏观上 来看，图 2-a 中有高衬度的部分，这个是由于电子束强大的轰击能量，使得粘在表面的铝粉 发生脱落。周围的黑色部分均为铝的涂层。图 2-b 会发现，有明显的熔坑，铝层也熔化。图2-c 脱落区的熔坑与图 2-b 相比有所增大。但分布比较的分散，密度不高。熔坑是电子束轰 击辐射表面的一个重要的特征。熔坑的形成主要与脉冲

9、电子束辐照过程中材料表层能量 作用区内出现非均匀局部熔化有关。首先，根据电子与固体作用理论，入射电子束的能量转换集中在靶材表层的电子射程（由电子加速电压、靶材密度决定）内实现，而电子束的能量沉积速率沿射程呈非线性分布，最大能量沉积位置位于射程的三分之一处，所以 当入射电子束的能量密度足够高时，熔化首先出现在靶材的亚表层。其次，实际使用的金属 材料中包含有各种晶体学缺陷，如晶界和位错等等，这些位置由于富集合金元素熔点降低， 而且相对较高的能量状态也会构成熔化过程中的领先熔滴形核位置。图 2-d 处理区涂层的金相。在大约 10m 内，表层有明显的晶粒细化现象。图 2-e 处理 过渡区金相。我们会发

10、现其表面几乎没有明显变化。但我们会发现这两个区域，距离表面大 约 200m 左右，有细小晶粒的堆积现象。这可能与试样是轧制态有关。图 2-f 脱落区的金相， 表面约 20m 内，有明显的晶粒细化，比处理区涂层要厚一些。从衬度上看，最近表层较黑， 反映出与基体有差别。在 120m 的位置上，会观察到明显的热影响区的界限。这是由电子 束独特的热应力所造成的。同时，热影响区的上方还有与表面成 45，不连续的带状组织。3.2 强流脉冲处理前后 XRD 分析 Intensity(a.u.)(211) (220)(100)(321)(400)(002) (101)(420) (411)(111)(510)

11、 (422) (521)(440)(442)(620) (622) (631)(550) (640)(721)(200)(102) 处理后试样Al(202) (104) Mg (640) (642) (800) (811)(820)(833) (842) (664) (754)Mg Al1712initial(103)(210) (211) (114)Mg(400)Al20 40 60 80 100(110)(200)(112) (201)(004)2 Theta(degree)(220)(311)(222)图 3 镁合金 AZ31 原始样和改性样 XRDFig.3 XRD pattern o

12、f AZ31 before and after HCPEB treatment图 3 是强流脉冲电子束处理前后，镁合金 AZ31 原始及渗铝后的 XRD 图。相对于镁的标准 XRD 图谱，镁合金 AZ31 中存在（002）晶面的择优取向。发生改变的原因主要与其原 始的制备过程如轧制态，加热温度等有关。处理前后的峰之间，没有明显的位移，说明没有 产生宏观应力。原因是由于涂层上有铝粉脱落，一旦有脱落，应力就会随之释放。反之，也 说明它有应力产生的，只是最后没有体现出来。从图中我们可以仔细观察，处理后试样的 XRD 的每一个峰都与镁和铝的标准图谱相对应，即与 Mg17Al12 相没有对应的峰。所以我

13、们 说电子束处理后试样表面并没有第二相的生成。这可能是由增强扩散效应或是冲击热应力波 的影响所导致的。3.3 成分分析图 4 处理区涂层截面线扫Fig.4 Section line scanning of processing area coating图 5 处理涂层区表面线扫Fig.5 The line scanning of processing area coating图 6 处理涂层区表面面扫Fig 6 The face scanning of processing area coating图 4 说明铝没有完全扩散进去。结合处理涂层区和处理过渡区截面的金相，可以看到其 表面没有大面积

14、熔化。图 5 可以看到有大小不均的圆形、椭圆、长条等形状的组织。从线扫 的情况上看，镁的含量很少，而锌的含量要比原始镁合金 AZ31 中的含量高了很多，所以， 我们猜测表面的这些形状规则的组织很有可能是锌铝合金。图 6 处理涂层区表面线扫，发现 表面没有完全熔化，还残留着大量的铝涂层。对其的合金化有一定的影响。但与基体结合紧 密，整体提高了其的耐蚀性。总之，铝的提高并不明显，但有少量增加的趋势。3.4 耐腐蚀性能测试为考察强流脉冲电子束表面改性对镁合金 AZ31 表面渗铝的耐蚀性能的影响，利用电 化学腐蚀测试系统对处理前后的样品进行测试。测试的实验参数和条件如表 2 所示。表 2 腐蚀性能测试

15、条件和参数Table2 Corrode function test condition and parameter参比电极辅助电极实验介质实验温度实验方法SCEPt5%氯化钠室温阳极极化试样 A、B、C、D、E 分别为加速电压 25KV 下，脉冲次数对应 2 次、5 次、10 次、18 次、30 次。用 SoftCorr 软件可以得到实验样品的自腐蚀电位、自腐蚀电流和腐蚀电阻。 如表 3 所示。自腐蚀电位越大，自腐蚀电流越小，电阻就会越大。那么材料的耐蚀性能就越 好。反之，自腐蚀电位越小，自腐蚀电流越大，电阻就会越小，那么材料的耐蚀性能就会很 差。从表中我们可以看到（除了试样 C）。其它的都比

16、原始试样的自腐蚀电位要高至少两倍， 总体的趋势是随着电子束轰击次数的增加，自腐蚀电位依次升高。而自腐蚀电流也比原始试 样的要小（除了试样 D）。经过计算后的电阻（除了试样 D），都要比原始的高五倍。综合一 下前面所论述的，整体的趋势是自腐蚀电位升高，自腐蚀电流减小，电阻越大。材料的耐蚀 性能就增强。表 3 不同试样耐腐蚀性能对比Table3 Corrosion-resistant performance contrast of different samples试样编号Ecorr(mV)Icorr(A/cm2)Rp(k/cm2)原始样品-123129.800.4531A-669.18.3432

17、.202B-588.522.492.821C-78010.482.072D-486.1107.80.3091E-392.231.473.491结合电化学腐蚀的原理，处理后的材料腐蚀性能改善的原因还可以归纳出以下几个主要方面：首先，由于电子束高能量的轰击，表面的铝粉熔化，在表面形成了一层稳定的三氧化 二铝氧化膜，这层膜可以隔离空气，从而避免了金属的进一步氧化。况且，铝元素要比镁元 素要耐蚀。三氧化二铝膜的结构比氧化镁膜的结构要致密。其次，表面形成铝的过饱和固溶 度，随着铝固溶度的增加，有利于表面形成致密的钝化膜。这样也可以提高耐蚀性。再次， 表面合金化处理前后动电位极化曲线，可以看出，表面合金化

18、后，阳极溶解过程受到影响， 镁的溶解速度降低，这是由于铝的渗入，表面形成致密的氧化膜，隔离基体，导致镁的腐蚀 速率降低。最后，电子束加工的冷却的速度极快，使得晶粒还没有完全来的及长大，就停止 了生长。晶粒得到细化，对耐蚀性也有一定的提高。4. 结论1)将铝粉预涂在镁合金 AZ31 表面后采用强流脉冲电子束进行后处理，从金相上看，表面 铝粉由熔化，由部分脱落，说明在作用过程中有大量的应力产生。2)由 XRD 衍射分析可以看出，处理后的表面没有第二相 Mg17Al12 生成。3)从探针可以得出，脱落区表面，铝元素稍有提高，另两个区域的铝未熔化，没有完全的 扩散。4)耐蚀性测试表明，强流脉冲电子束表

19、面渗铝可以有效的提高镁合金 AZ31 的耐蚀性。整 体的趋势使随着脉冲次数的增加，耐蚀性增强。参考文献1秦颖，吴爱民，邹建新等.强流脉冲电子束表面改性的物理模型及数值模拟J，强激光与粒子束 2003，15(7): 701-704. 2秦颖，吴爱民，邹建新等.强流脉冲电子束轰击产生表面熔坑的数值模拟研究J，材料热处理学报，2003，24(1)，85-89.3 邹建新，秦颖，吴爱民等. 强流脉冲电子束纯铝表面改性过程的热力学模拟J ，核技术，2004, 27(7):519-524.4 T.Witke, A.Lenk, B.Schultrich,IEEE Trans.PlasmaJ. Sci.61(

20、1996) 24.5 G. E. Ozur, D. I. Proskurovsky, V. P. Rotshtein, A. B. MarkovJ, Laser and Particle Beams. 21(2003) 157.Enhancing corrosion resistance of AZ31 Magnesium alloy surface alloyed with Al by high current pulsed electron beamLi Gang，Kuang Jun，Qiu Xingwu，Qiu LingDepartment of Material Science and

21、 Engineering，Liaoning technical university，Fuxin，Liaoning(123000)AbstractThe rapid surface alloying of AZ31 Magnesium alloy by high current pulsed electron beam was investigated. A fine Al powder layer was pre-coated on the substrate and then post-treated withHCPEB. The high energy of electron beam

22、causes the Al powder fast melting on the surface. Due to the thermal stress and diffusion effects, part of the Al coating was dissolved into the substrate, forming a Alrich layer on the top surface. The increase of aluminum is advantageous to forms the oxide film in themagnesium alloy surface, So the corrosion resistance of AZ31 Magnesium alloy can be effectively improved after HCPEB surface alloying with Al.Keywords：high current pulsed electron beam，surface alloying，corrosion resistance， Magnesiumalloy