环保型陶化膜的研究进展及其在镁合金上的应用

陶化膜作为替代磷化的预处理工艺,操作简单,无需加热,能耗低,成膜时间短,不排放有害物质和残渣,解决了磷化膜的成本和环保问题。目前陶化膜已经在钢铁、铝合金等基材上实现了工业化应用,但在镁合金表面的研究还比较少。本文结合国内外陶化膜的研究进展,总结了陶化膜的发展历史,成膜机制,陶化膜的溶液组成及工艺参数的影响(包括成膜剂、成膜液中的添加剂、成膜液的pH、成膜时间、成膜温度、成膜液的搅拌、基体材料的影响),同时介绍了镁合金表面陶化膜的研究现状,并对未来镁合金陶化膜的研究重点进行了总结和展望。为了尽早实现陶化膜在镁合金部件的批量应用,膜层的均匀性、致密性、与漆膜的结合力等方面尚需深入研究,成膜液的维护,操作规范的制定,废水处理等这些问题尚待解决。

挤压态单/双相镁锂合金的组织与性能

对Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y、Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y铸态镁锂合金在相同工艺下进行热挤压变形,研究了两种镁锂合金的显微组织、密度和力学性能。结果表明:Mg-8.6Li-6.5Zn-1.4Y铸态合金主要由α-Mg相、β-Li相、Mg_(3)Zn_(6)Y_(1)相组成,为(α+β)双相镁锂合金,Mg-9.6Li-8.9Zn-1.9Y铸态合金主要由β-Li相、Mg_(3)Zn_(6)Y_(1)相组成,为β单相镁锂合金;热挤压变形后,双相镁锂合金中α-Mg相沿挤压方向变形呈条状,单相镁锂合金中形成少量尺寸较小的α-Mg相,两种合金中的Mg_(3)Zn_(6)Y_(1)相均发生破碎并沿挤压方向变形;相比双相镁锂合金,单相镁锂合金的平均晶粒尺寸较小,第二相(Mg_(3)Zn_(6)Y_(1)、Mg_(3)Zn_(3)Y_(2)、LiMgZn相)平均尺寸和体积分数较大,且硬度、屈服强度、抗拉强度更大,分别增加了2.72%,7.53%,3.59%,断后伸长率略有减小。

轧制压下量对WE43镁合金腐蚀行为的影响

在500℃下制备压下量分别为0、25%、45%和80%的轧制WE43镁合金,并研究其在3.5 wt.%NaCl溶液中的腐蚀行为。采用光学显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)对轧制WE43合金的显微组织演变过程进行表征。结果表明,随着轧制压下量增加,合金的基面织构逐渐增强,晶粒尺寸逐渐减小。此外,仅压下量为45%的合金中存在弥散分布的动态析出相。浸泡实验和电化学实验结果表明,轧制WE43合金的耐蚀性由高到底的顺序为压下量45%>压下量80%>压下量25%>压下量0。压下量45%的合金具有最好的耐蚀性,主要原因是基体中大量弥散分布的析出相能促使致密腐蚀产物膜的形成。压下量为80%合金的腐蚀速率增加是析出相回溶至基体所致。析出相是轧制WE43合金腐蚀速率的主要影响因素,而晶粒尺寸、基面织构和形变孪晶是次要影响因素。

具有细晶/混晶交替分布组织特征的AZ31镁合金轧板拉伸变形行为仿真

通过中等应变速率轧制获取细晶区和混晶区交替分布的AZ31镁合金轧制板材,构建不同组织特征的黏塑性自洽(VPSC)模型,预测板材在室温拉伸下的变形机制、织构演变和力学响应,研究细晶区与混晶区对塑性变形的贡献。结果表明:经410℃、平均应变速率1.9 s^(-1)、4.8 s^(-1)和7.8 s^(-1)制备的轧制板材中细晶区与混晶区呈现板织构特征,细晶区织构组分相较于混晶区更接近ND方向;随着轧制平均应变速率的增加,板材的细晶区与混晶区的织构组分差异逐渐减小。在室温拉伸塑性变形初期阶段,轧制板材的主要变形机制是基面滑移,次要变形机制是棱柱面滑移和锥面滑移,而拉伸孪生几乎不开启。压缩孪生启动时,部分晶粒向TD方向偏转56°,形成TD方向的织构组分。棱柱面滑移活性的降低,有利于增强锥面滑移的分离效应,促使ND方向织构极密度降低和双峰织构形成。轧制板材在拉伸过程中,由于细晶区的织构组分相较于混晶区更接近ND方向,使得在拉伸过程中细晶区相较于混晶区的基面滑移开启较少,非基面滑移开启较多,促使拉伸变形的过程中细晶区起强化作用,混晶区起弱化作用。织构组分差异逐渐减小,使得细晶区与混晶区的变形机制活性趋于一致,促使其在拉伸过程中对抗拉强度贡献也逐渐趋于一致。

铸造镁合金凝固过程数值模拟研究进展

镁合金以其轻量化、高比强度和良好的阻尼性能在汽车、航空航天等领域应用广泛。数值模拟通过再现铸造成形过程中的各类宏观和微观物理过程,可以调控组织、减少缺陷、提高力学性能和优化铸造工艺参数。本文综述了铸造镁合金在枝晶和共晶凝固组织模拟,偏析、气孔和热裂等缺陷模拟,以及力学性能预测等方面的研究现状,简要介绍了近两年在铸造镁合金成形工艺模拟方面的研究进展。最后,指出了当前铸造镁合金数值模拟研究存在的问题及发展方向。

中高应变速率轧制AZ31镁合金板的抗拉强度预测

本文采集了不同轧制温度、应变速率以及压下量等三个工艺参数下中高应变速率轧制的AZ31镁合金抗拉强度的27组样本,通过惯性权重、学习因子的改进和引入变异操作对PSO-BP神经网络进行改进,并与BP、PSO-BP神经网络对比,进行抗拉强度的预测。结果表明:BP神经网络不能预测AZ31镁合金抗拉强度的非线性变化,PSO-BP神经网络和改进的PSO-BP(IPSO-BP)神经网络均能较好地预测AZ31镁合金抗拉强度的非线性变化;这三个模型中IPSO-BP神经网络预测最为准确,相较于PSO-BP神经网络,其平均绝对误差从15.3764降低至3.4288,平均相对误差从5.94%降低至1.32%,均方误差从251.3662降低至20.7199,相关系数从0.7753提高至0.8937;通过Pearson相关性计算判断出应变速率、压下量对抗拉强度的影响均大于轧制温度,而应变速率与抗拉强度呈负相关关系,压下量与抗拉强度呈正相关关系。

基于Deform 3D的AZ31镁合金不对称挤压变形工艺模拟

通过Deform 3D软件模拟了AZ31镁合金不对称挤压变形工艺过程。结果表明,设置不同水平长度流动距离促使材料不对称地流入挤压通道,进而形成不对称剪切变形,出现应变及应力集中分布的不对称性,促使材料晶粒沿着剪切面偏转,获得细晶、弱织构的高性能镁合金坯料。

根部加强的镁合金搅拌摩擦焊分析

常规搅拌摩擦焊中,不同厚度的材料所适配的最佳搅拌针长度也不相同,搅拌针过长或过短都会对焊接效果产生不利影响.为了解决这一局限性,提出了一种在焊缝背面添加适当厚度同种材料垫板的新型焊接工艺,在该工艺中,搅拌针长度大于被焊板材厚度,将垫板与母材焊接在一起,一方面,降低了对搅拌针长度的要求;另一方面,可消除焊缝减薄产生的不利影响.结果表明,采用该方法分析1.5 mm厚AZ31B镁合金的对接焊,接头抗拉强度最大可达母材的91.19%,此外,分析了焊缝横截面微观组织和显微硬度分布,通过所建立的卷积神经网络模型,对接头抗拉强度随参数变化的分布情况进行了预测,获取了最佳工艺参数.

工艺参数对AZ31B镁合金单点渐进翻边精度的影响

目的以AZ31B镁合金板为研究对象,研究初始成形角、工具直径、成形温度及层间距对单点渐进圆孔翻边精度的影响规律。方法使用有限元软件对2 mm厚的镁合金板材进行数值模拟,通过计算翻边直壁处的平均回弹量,得出不同工艺参数对单点渐进圆孔翻边直壁轮廓的影响规律。通过正交实验分析了交互作用下工艺参数对圆孔翻边直壁处平均回弹量的影响,通过极差分析确定了最优工艺参数组合,并通过实验对所得结果进行了验证。结果随着初始成形角的增大、工具直径的增大、成形温度的升高及层间距的减小,圆孔翻边制件直壁处的成形精度提高,各因素按影响程度由大到小的顺序依次为:成形温度、初始成形角、工具直径和层间距。成形精度最高的工艺参数组合如下:初始成形角为30°、工具直径为10 mm、成形温度为275℃、层间距为0.5 mm。结论采用仿真模型模拟单点渐进圆孔翻边过程具有较高的准确性,使用优化后的工艺参数得到翻边零件直壁区域的最小厚度以及平均回弹量与仿真结果误差均在3%以内,升高温度可以明显提高单点渐进圆孔翻边的制件精度。

镁合金表面DCPD涂层的制备及其界面结合机制研究

目的研究CaHPO_(4)·2H_(2)O(DCPD)与Mg的界面结合机制,以提高DCPD在镁合金表面的界面结合强度。方法利用电镀法在AZ31镁合金表面制备DCPD涂层,采用SEM、XRD、XPS等对涂层形貌及结构进行表征。同时,运用分子动力学模拟(MD)对DCPD在Mg表面形成机制进行研究,通过统计界面层中不同组分的径向分布函数、密度分布、均力势、总能量等的变化,揭示DCPD/Mg的界面结合能、结合位点及结合方式。结果通过电镀法形成的DCPD涂层形貌为致密的荷花瓣状晶体,主要成分为CaHPO_(4)·2H_(2)O。模拟结果表明,CaHPO_(4)·2H_(2)O的4个晶面(010)、(-120)、(11-1)、(111)、(-120)与Mg的结合能最强(163.63 kJ/mol)。其中起“铆钉”作用的基团是HPO_(4)^(2-)和H_(2)O,结合位点主要为O与Mg,即HPO_(4)^(2-)和H_(2)O通过静电作用及范德华力与Mg形成Mg-HPO_(4)^(2-)和Mg-H_(2)O偶极对。研究发现,形成的偶极对中HPO_(4)^(2-)及H_(2)O的配位数分别为0.75和1.16,Mg-H_(2)O的解离能更大,结构更稳定。结论提出改善DCPD/Mg结合强度的方法,电镀前可将镁合金置于NH4H_(2)PO_(4)溶液中浸泡片刻,促进CaHPO_(4)·2H_(2)O(-120)晶面的形成。

镁合金FSW接头微观结构演化与组织、性能的关联性

为了研究AZ31镁合金FSW过程中的微观结构演化与组织、性能间的关联性,采用Monte Carlo和试验相结合研究焊接区域微观结构演化,测试焊接区的组织与性能,构建微观结构演化和组织、性能间的Hall-Petch关系式。结果表明:AZ31镁合金的FSW前进侧和后退侧硬度的最小值均在搅拌针和轴肩之间的覆盖区域,且后退侧材料硬度较前进侧稍高。搅拌头转速增加时,镁合金FSW搅拌区晶粒增大,说明搅拌头旋转导致的温度变化对搅拌区的晶粒形貌变化具有重要影响。随着搅拌头转速的增加,镁合金FSW温度升高,同时应变率随之增加,温度升高导致晶粒变大,应变率增加导致形核率增加从而导致晶粒变小,综合作用的结果使搅拌头转速增加时镁合金FSW搅拌区晶粒随之增大。

稀土镁合金表面激光熔覆AlSi12/TiN复合涂层的组织及性能研究

采用高速激光熔覆技术在Mg-Gd-Y-Zr镁合金表面制备了AlSi12/TiN复合涂层。通过光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、摩擦磨损实验以及电化学分析测试等方法,研究不同含量陶瓷强化相Ti N涂层的显微结构、熔覆层结合强度、摩擦磨损性能以及耐腐蚀能力。结果表明,复合涂层主要由α-Mg、Mg_(2)Si枝晶、Al_(12)Mg_(17)、Al_(3)Mg_(2)金属间化合物以及Ti N强化相组成。由于存在强化的第二相和细化的晶粒,AlSi12/TiN复合涂层的摩擦系数、维氏硬度及结合强度分别达到0.45、210 HV0.1和40 MPa。此外,与镁合金基体相比,腐蚀电位提高683 m V,自腐蚀电流密度降低了2个数量级。利用激光熔覆技术可在Mg-Gd-Y-Zr镁合金表面制备结合强度高的Al Si12/TiN复合涂层,有合适含量强化相存在的涂层显著提高了基体表面的耐磨损与耐腐蚀性能。

微量Ca对ZE22镁合金显微组织及加工硬化行为的影响

为改善ZE系列镁合金延展性及加工性能,以ZE22为基础合金,通过Ca微合金化改善其加工硬化能力。进行EBSD及室温拉伸试验,研究微量Ca对ZE22镁合金显微组织及加工硬化行为的影响。结果表明:微量Ca的加入可细化晶粒,使平均晶粒尺寸为6.38~8.44μm,并引起基面织构弱化,织构极强度从22.3降至19.2,提高了基面滑移系的施密特因子。微观分析发现,加工硬化的弱化是晶粒尺寸和织构双重作用的结果。微量Ca的加入使合金加工硬化能力和应变率敏感系数降低,ZEG220合金的强塑性匹配更佳。研究结果为微合金化调控镁合金的加工硬化能力提供了理论基础和指导。

镁合金表面热喷涂WC-10Co-4Cr粒子沉积及分布特性

为了探究高速空气燃料热喷涂(activated combustion-high velocity air fuel,AC-HVAF)过程中喷涂粒子撞击基材后的沉积特性。采用AC-HVAF热喷涂技术在AZ80镁合金基体上沉积WC-10Co-4Cr硬质涂层。通过离散沉积实验获得薄层沉积粒子,探讨各种沉积形貌的种类、形成原因、结合机制及射流中粒子的径向和轴向分布。结果表明:在AC-HVAF粒子沉积过程中,嵌入型沉积为主要的沉积形貌,同时包含少量的破碎型与空腔型沉积粒子。在涂层的形成过程中,嵌入型沉积对涂层/基体结合性能起重要作用;空腔型沉积的小颗粒及破碎型沉积的大颗粒是造成沉积效率下降的主要原因。喷涂粒子主要集中在射流中心,越靠近射流边缘,空腔型沉积粒子越多,最终导致AC-HVAF粒子射流呈现出空间分布特征。

汽车用镁合金纯剪切变形工艺的模拟分析

为了弱化织构和细化晶粒以改善AZ31镁合金材料综合力学性能,设计了纯剪切挤压变形工艺。通过Deform 3D软件对该工艺进行模拟分析。结果显示,通过该挤压剪切变形,镁合金材料呈现不对称性流动,变形主要集中在材料外侧。随变形程度增加,应变向内部延伸扩展,进而形成较大剧烈塑性变形,弱化织构和细化晶粒,有利于镁合金综合性能提高。

大规格薄壁镁合金无缝管二辊斜轧穿孔的数值模拟

目前,采用三辊斜轧穿孔的大规格薄壁镁合金管容易出现尾三角。因此,本文提出采用二辊锥辊穿制坯料直径为110 mm的大规格AZ31镁合金薄壁无缝管的方法。分析了二辊和三辊斜轧穿孔的原理,根据镁合金材料的特点,制定了相应的变形工艺参数,并采用Deform-3D有限元软件对整个过程进行了数值模拟。分析了等效应变、轧制速度、等效应力等结果。模拟结果表明,管形均匀,尾部截面圆整。

电流模式对Mg-Zn-Ca镁合金微弧氧化涂层孔隙及耐腐蚀性的影响

分别采用单极、双极和混合电流模式在Mg-Zn-Ca合金基板上制备3种微弧氧化涂层。通过扫描电镜(SEM)和三维激光扫描共聚焦显微镜测量了涂层的孔隙尺寸、表面形貌和表面粗糙度,涂层的物相结构采用X射线衍射仪进行表征,应用电化学工作站和500 h的盐雾腐蚀对3种涂层进行耐腐蚀性研究。结果表明:3种涂层均主要由MgO、Mg_(2)SiO_(4)、Mg_(2)SiO_(3)相组成,混合电流模式下得到的涂层表面光洁度更好,表面气孔尺寸达到(5.52±0.63)μm;同时较小的孔隙形成了屏障阻隔效应,使其耐蚀性高于单极和双极模式涂层的。

浇铸温度对AZ31镁合金铸轧凝固焊合线的影响

基于φ880 mm×400 mm水平双辊铸轧机的实际工况,通过有限元模拟分析了浇铸温度对铸轧区AZ31镁合金凝固焊合线的影响规律。结果表明,浇铸温度对凝固焊合线位置影响较为明显,但对其形状影响较小。随着浇铸温度提升,凝固焊合线逐渐向出口靠近,边部Kiss点(K')和Kiss线上的凸点(K')连线与过K'点平行于铸轧方向的直线的夹角α先减小后增大。当浇铸温度为965 K时,铸轧过程中极易出现漏液,合适的浇铸温度范围为915~959 K。对比不同浇铸温度下的仿真结果,浇铸温度为945 K时,∠α最小,有利于缓解镁合金铸轧板带边裂。

镁合金尾翼类构件径向同步加载工艺研究

目的针对常规挤压工艺成形尾翼类构件飞行时翼片径向产生挠曲变形的问题,提出了一种可调控金属流动的径向同步加载成形方法。方法结合ANSYS、Deform-3D有限元模拟和物理实验,分析径向同步加载的金属流动行为、等效应变和金属流线分布,通过拉伸实验测试成形翼片挤压方向(Extrusion Direction,ED)和横截面方向(Transverse Direction,TD)的力学性能,并通过观察显微组织揭示径向强化机理。结果径向同步加载通过对坯料施加周向压应力促进了金属径向流动,形成了沿径向分布良好的金属流线,有利于提升径向力学性能;采用该工艺试制构件表面质量良好,无宏观缺陷,且形成沿径向分布的宏观流线;翼片径向力学性能显著提升,屈服强度提升了57.8 MPa,抗拉强度提升了80.1 MPa,延伸率提升了1.4%,其强塑性的提升与纤维组织和块状LPSO相的纤维强化密切相关。结论实现了尾翼类构件的径向同步加载整体成形,通过调控金属流动形成径向分布良好的金属流线,提升了成形翼片径向强度,为高性能镁合金尾翼类构件的整体成形提供了理论基础和技术支撑。

汽车用镁合金的表面改性及耐蚀性能研究

采用旋涂法在汽车用镁合金表面制备了4种改性涂层(不含有机改性硅酸盐涂层和有机改性硅酸盐涂层),对比分析了改性涂层的显微形貌以及在3.5%NaCl溶液中浸泡不同时间后的耐腐蚀性能。结果表明,相较镁合金基体,浸泡前的不含有机改性硅酸盐涂层A试样和浸泡1 d~9 d的涂层试样的腐蚀电位都正移,腐蚀电流密度明显减小,涂层A的耐腐蚀性能明显优于镁合金基体;4种改性涂层的腐蚀电位都相较镁合金基体发生正向移动,且有机改性硅酸盐涂层(涂层B、涂层C和涂层D)的腐蚀电位都比涂层A更正、腐蚀电流密度相较涂层A更小,腐蚀电流密度从小至大顺序为:涂层C<涂层D<涂层B<涂层A<基体。随着浸泡时间的延长,4种改性涂层的腐蚀电流密度都在增加,但相同浸泡时间下,涂层B和涂层C的腐蚀倾向相比涂层A更小、腐蚀速率相比涂层A较慢,且涂层C(KH-570/BTMSE=3/2)具有最佳的耐蚀性能。