镁科研：热平衡对AA7075冷喷涂AZ31B镁合金微观组织演变的影响
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镁及镁合金作为最轻的金属结构材料，因其具备高比强度、高比刚度和低能耗的特点，在轻量化制造方面具有极大应用潜力。但镁合金的抗腐蚀性差和抗拉强度低阻碍了镁合金的广泛应用。如何改善镁的耐久性一直是国内外学者关注和研究的重点。与镁合金相比，AA7075冷喷涂涂层具有较高的疲劳强度，可以延缓疲劳裂纹的萌生，抑制裂纹在涂层和基体中扩展。通过冷喷涂技术在镁合金表面制备该涂层，通常会在基体/涂层界面处产生压缩残余应力和晶粒细化，有利于改善镁合金的疲劳性能；但在某些情况下，也可能产生拉伸残余应力，对镁合金零件的疲劳寿命产生不利影响。通过控制热平衡调整基体中的残余应力成为改善镁合金力学性能的重要方向。然而，目前关于热平衡对冷喷涂镁合金基体微观结构的影响尚未明确。最近，来自加拿大滑铁卢大学的Hamid Jahed博士等人采用2 mm/s和10 mm/s的喷嘴速度分别将AZ31B置于水冷铜板和绝缘夹上制备了AA7075冷喷涂涂层，制得试样分别命名为压缩试样(减少热输入、增加热传递)和拉伸试样(增加热输入、减少热传递)，研究了热平衡对界面和基体微观结构的演变和残余应力的发展。研究结果表明，热平衡条件强烈影响基体的微观结构，易导致镁基体的高温应力释放、动态再结晶以及再结晶晶粒长大；减少热量输入和增加热传递会显著减小晶粒尺寸、产生残余压应力，可有效改善镁合金的力学性能，有望推动镁合金在轻量化制造中的承重构件应用。系统研究了热平衡(热输入和热损失)对冷喷涂涂层/基体界面残余应力和微观结构的影响，分别如图1和图2所示。由残余应力测试结果可知，涂覆AA7075涂层后，拉伸试样在界面处产生了拉伸残余应力；而压缩试样由于热传递增加，在界面处产生了压缩残余应力，约50 MPa(图1)。在两种冷喷涂工艺条件下制备的试样均在涂层/基体界面处形成了具有细小晶粒的窄带层和垂直于界面生长的柱状晶组织。其中拉伸试样由于在制备过程中热输入较多、热传递较低，在距涂层/基体界面下方100 um-150 um处形成了孪晶带；而压缩试样由于热输入较低、热传递较高，在界面下方约25 um处形成了密度更高的孪晶区，靠近界面处的晶粒尺寸比拉伸试样的更加细小(图2)。由于在涂层/基体界面区域的热量累积不足以促进金属间化合物相生长，因此在界面处未形成金属间化合物相。图2 SEM图像：(a)(c)(d)分别为拉伸试样的界面低倍图像、动态再结晶晶粒和孪晶带，(b)(e)(f)分别为压缩试样的界面低倍图像、基体的孪晶带和细小晶粒区域系统研究了热累积对拉伸试样中镁基体织构、动态再结晶、再结晶晶粒生长以及热应力消除的影响，如图3所示。取向成像显微技术(OMI)分析表明，拉伸试样存在较强的基面织构、沿RD方向的随机织构和沿ND方向的[0001]强织构，表明界面处的强织构未受冷喷涂较大影响(图3a)。从EBSD观察到的晶粒尺寸变化与SEM结果一致。拉伸试样的局部取向差(KAM)显示出位错在界面处累积，表明此处存在变形和残余应力(图3c)。采用晶粒平均取向差(GAM)评估了拉伸试样的再结晶现象，发现受冷喷涂影响较大的区域(距界面100 um-150 um处以及界面处)均发生了动态再结晶(图3d)。在距界面50 um处的窄带中，由于位错堆积导致积累了大量低角度晶界，可能消除该区域的应力。图3 拉伸试样的a)取向成像显微结果，b)由EBSD获得界面处的晶界结构，c)界面处的局部取向差，d)再结晶晶粒，e)(0001)和(1010)极图系统研究了热累积对压缩试样中界面微观结构的影响，如图4所示。取向成像显微技术分析表明，压缩试样受喷涂影响区域中的晶粒尺寸细化效果比拉伸试样更显著，与光学显微镜和SEM结果一致。压缩试样的局部取向差表明在靠近界面处的基体中存在少量再结晶晶粒和变形晶粒，并伴随着位错累积。与拉伸试样的(0001)和(1010)极图对比，可以发现由于晶粒变形和残余应力的影响，压缩试样的初始基面织构弱化程度更显著。以上结果表明，在较低温度下进行冷喷涂，可改善合金的微观组织，形成压缩残余应力，有利于改善镁合金的疲劳性能。图4 拉伸试样的a)取向成像显微结果，b)由EBSD获得界面处的晶界结构，c)界面处的局部取向差，d)再结晶晶粒，e)(0001)和(1010)极图声明：以上所有内容源自各大平台，版权归原作者所有，我们对原创作者表示感谢，文章内容仅用来交流信息所用，仅供读者作为参考，一切解释权归镁途公司所有，如有侵犯您的原创版权请告知，经核实我们会尽快删除相关内容。鸣谢：镁途公司及所有员工诚挚感谢各位朋友对镁途网站的关注和关心，同时，也诚挚欢迎广大同仁到网站发帖、投稿. |
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