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镁合金表面自纳米化研究进展及现状

王春明  杨牧南  黄建辉  刘位江  梁彤祥  
【摘要】:镁合金作为最轻的工程结构材料在航空航天、交通运输和电子通讯工业等领域均具有广泛的应用。镁合金的耐磨性和耐腐蚀性较差是限制其不能同铝合金一样被广泛应用的两个重要因素。因此,改善镁合金耐磨性和耐腐蚀性具有重大的意义,并受到了研究者的广泛关注。表面处理是提高镁合金耐磨性和耐腐蚀性的有效方法之一,其中,表面自纳米化技术存在以下两大优势:(1)组织沿厚度方向呈梯度变化,不会发生剥层和分离,无需考虑结合问题;(2)利用传统的表面机械处理或进行简单改进就可提高镁合金的耐磨性和耐腐蚀性,使其具有较大的开发应用潜力。目前,常用的镁合金表面自纳米化制备技术有表面机械研磨处理(SMAT)、激光喷丸(LSP)、超声喷丸(USP)、高能喷丸(HESP)、超音速微粒轰击等。表面机械研磨、高能超丸和超声喷丸技术的基本原理相似,而各自的振动频率不同。振动频率由大至小依次为超声喷丸、高能超丸、表面机械研磨。不同成分的镁合金表面处理后获得的纳米晶粒尺寸最小可达20 nm。另外,通过改进表面机械研磨设备开发的表面机械滚磨技术所得的纳米晶层的厚度可达100μm。激光喷丸技术表面处理的镁合金纳米层厚度约为20μm,纳米层晶粒尺寸可达20 nm。此外,经激光喷丸处理后镁合金表面的粗糙度小,使得合金具有更好的耐腐蚀性能。采用超音速微粒轰击技术处理的镁合金表面的纳米层晶粒的尺寸可达10 nm,其纳米层厚度大于使用激光喷丸技术处理的镁合金表面的纳米层。不论采用何种表面自纳米化技术,镁合金表面结构晶粒尺寸从表面向内部均可分为四个层次:表面纳米晶层、表面细晶层、粗晶应变层和无变化的镁基体。能量是影响纳米晶粒尺寸和纳米晶层的主要因素。同时镁合金表面纳米化后其硬度明显增大,有利于改善材料的摩擦磨损性能。而镁合金的耐腐蚀性能主要受合金晶粒尺寸和第二相颗粒大小、体积分数的影响。在一定的晶粒尺寸范围内,随着镁合金晶粒尺寸细化,合金的耐腐蚀性能增强。在排除镁合金表面粗糙度的影响后,表面纳米化后镁合金的耐腐蚀性能的相关机制尚不明确。特别是纳米晶粒尺寸、第二相粒子的体积分布等对镁合金耐腐蚀性能的影响,还需进一步完善与优化。本文综述了镁及镁合金表面自纳米化技术(包括表面机械研磨处理、超声喷丸、高能喷丸、激光喷丸、超音速微粒轰击)的制备工艺及特点,主要介绍了国内外镁及镁合金表面自纳米化技术的研究现状,同时还分析了镁合金表面自纳米化制备技术对合金的结构特征、力学和耐腐蚀性能等方面的影响,并探讨了镁合金表面纳米化的应用前景及目前存在的问题。

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