关键词： 镁合金   耐腐蚀性   导电性   微弧氧化   石墨烯有机复合  

摘要： 镁合金以显著的轻量化、优异的导电性、电磁屏蔽性能、散热性、减震性、防辐射性等独特优势,在航空航天、3C产品等领域应用前景广阔。但镁合金在金属结构材料中具有较低的标准电极电位,在潮湿空气中易形成疏松多孔的的氧化膜,不能形成有效稳定的保护膜。因此,镁合金易腐蚀是发展高性能镁合金应用的主要障碍之一。现有的防腐工艺在满足镁合金耐腐蚀性的同时,不可避免地削弱镁合金构件固有的优势特性,如导电性能、电磁屏蔽性能以及耐磨性等。面向航空航天结构件轻量化、耐蚀、导电性能等综合需求,本文首先通过盐雾腐蚀实验筛选出固有耐蚀性能相对较好的AZ91、WE43、VW83和MB15镁合金,经过进一步实验综合对比确定以AZ91为研究对象。采用微弧氧化（MAO）、原位生长石墨烯（CVD）、冷喷涂镍（CP-Ni）和823喷涂的防护技术在镁合金表面制备涂层,进行耐蚀性、结合强度和导电性能测试。以期获得一种既能提升镁合金耐蚀性能又能较好的保持其固有性能的表面处理技术,主要研究工作如下: （1）为了选出兼具耐腐蚀性能和导电性较优的镁合金,以及探索稀土元素（Y、Gd和Nd）对镁合金耐蚀性能的影响规律,通过电化学腐蚀和导电率测试,并结合微观组织实验分析,系统研究了AZ91、WE43、VW83和MB15镁合金耐蚀性能和导电性能影响机理。实验结果表明,在4种镁合金中,AZ91表现出较优的耐腐蚀性。稀土元素作为非均匀形核的结晶核心,会强化晶粒,增加合金的电子散射几率,增大合金的电阻值。 （2）采用微弧氧化（MAO）、原位生长石墨烯（CVD）、冷喷涂镍（CP-Ni）和823喷涂等技术在AZ91镁合金表面构筑了不同防护涂层。分别探讨了不同涂层对AZ91镁合金耐蚀性能和导电性能的影响。实验结果表明,CP-Ni所制备涂层的试样导电性最优,但在测试过程中该涂层表现的析氢反应最剧烈,耐蚀性能最差。MAO是4种防腐工艺中对AZ91镁合金耐蚀性能提升最行之有效的方法,但该方法所制备的陶瓷膜层具有高绝缘性。 （3）为了解决MAO涂层多孔的结构缺陷,提高涂层耐磨性,并明确电解粒子的沉积机制,基于特定电解质（Na2SiO3–NaOH–NaF–Na2PO3）在MAO电解液中引入聚四氟乙烯颗粒（PTFE）。实验结果表明,PTFE通过影响涂层的吸收和结合模式,致使涂层粒子在沉积10 min时,可获得较为致密的陶瓷涂层,不仅提高了涂层的耐蚀性,而且可大幅度地提高镁合金涂层制备件的耐磨性。为进一步提高涂层的耐腐蚀性能,通过正交实验优化特定电解液中的电参数,探明电参数对微弧氧化层的影响规律。耐蚀性能测试结果表明:当占空比25%、频率300 HZ、沉积时间1200 s时,微弧氧化层耐蚀性能最高,其腐蚀电流密度降低至8.81×10-8 A·cm-2。 （4）为了提高MAO陶瓷涂层的导电性,对导电性能最优的石墨烯有机涂料的配比进行研究,应用刮涂法制备不同石墨烯含量的有机复合涂层。实验结果表明,当石墨烯质量占比为10%时,可显著提高涂层的导电性。通过测试微弧氧化/石墨烯复合涂层耐蚀性能可知,MAO-C的腐蚀电流密度比单一的MAO涂层降低了近8倍,显著提高镁合金涂层制备件的耐蚀性能。在长期的腐蚀浸泡实验中,复合涂层保持较稳定的性能,可进一步提高镁合金涂层试样耐蚀性能,其腐蚀电流密度比单一的微弧氧化陶瓷涂层耐蚀性能降低了近一个数量级。

关键词： 镁合金   数值模拟   双金属复合   挤压-剪切   结合界面   力学性能  

摘要： 镁合金称为最轻金属结构材料,其具备低密度、高比强度、高比刚度、优良的电磁屏蔽性能、阻尼性能等优点,广泛应用于汽车制造、航空航天等工业领域。但是,室温下常规镁合金表现出差的塑性变形能力限制了其广泛应用。而稀土镁合金具备优异的高温性和高强度等优点,可以充分弥补常规镁合金的缺点,但单一的稀土镁合金成本较高、加工成形困难限制其广泛应用,因此,采用双金属复合成形技术将二者进行结合,在保证轻量化的前提下,提高镁合金综合性能的同时又节省了成本。双金属复合制备技术旨在充分发挥两种金属材料的互补效应,目前现有的复合制备技术存在工艺复杂等缺点,仍须持续改进和创新。 本论文采用挤压-剪切工艺制备双金属复合板材,相比传统挤压该工艺增加两次剪切,其目的是改善镁合金室温塑性、弱化基面织构等。常规镁合金/稀土镁合金镁包覆挤压充分利用二者本身特点,提高复合板材的综合性能。实验初期采用DEFORM-3D有限元分析软件对AZ31/AZ91、AZ31/WE43复合板成形过程进行模拟,分析了成形过程中板材的温度场变化、等效应力分布、等效应变分布以及挤压温度对载荷的影响。此外,通过对复合板材微观组织、微观织构及力学性能分析,得出如下结论: (1)通过有限元模拟结果显示可知,整个挤压过程板材的温度峰值主要集中在剪切区域,此处等效应力、等效应变均达到最大值。温度场和等效应力分布内层镁合金始终高于外层镁合金,这是模具结构及金属之间摩擦力引起。而等效应变分布则是外层金属高于内层金属,因金属的流速差异导致。从载荷-行程图中可以看出,挤压温度越高,所需载荷越小,金属塑性越好更加有利于挤压过程的进行,综合考虑温度对于晶粒细化的影响,计算得到板材最佳挤压温度为450℃。 (2)随着挤压温度升高,界面结合层厚度增加,第二相析出物不断增多,AZ31/WE43复合板材的第二相析出物明显WE43侧多余AZ31侧。在450℃时,AZ31/AZ91复合材料的屈服强度最高,AZ31/WE43复合材料的塑性最好,两种复合板材压缩性能也最佳。硬度测试结果表明450℃时内侧镁合金硬度值高于400℃、500℃时的硬度值。 (3)AZ31/AZ91双金属板材在400℃、450℃、500℃挤压温度下织构实现一定弱化,并且织构类型发生改变,总体织构沿着ND方向发生不同程度的偏移。在450℃时织构从<0001>向其它方向弥散的程度更强,外侧的AZ31为连续动态再结晶,内侧的AZ91为不连续动态再结晶,总体晶粒尺寸在450℃细化效果最好,同时分析二者的再结晶行为,外侧AZ31降低内侧AZ91的位错密度,AZ91的KAM值更低。 (4)热变形过程中变形晶粒吸收位错转变为再结晶晶粒,随着挤压温度升高,AZ31/WE43复合板材动态再结晶比例升高。WE43的动态再结晶晶粒利于织构弱化,在沿着挤压方向变形时有助于提高合金的延展性,AZ31的强基面织构有利于提高屈服强度,织构强度的显著变化说明非基面滑移的活化,有利于协调变形。450℃时两侧晶粒尺寸均较小,且两侧晶粒尺寸差较小,为位错运动的传递提供了空间,位错滑移更均匀使得两侧材料变形更协调,因此提高了室温变形能力。

摘要： 他是江西“老表”心中的科技知青，种田养猪带领村民增收致富；他是轻合金研究的先驱者，从铝到镁合金推动材料研究百年传承；他是教学科研管理的多面手，助力国家重大战略产品领先国际；他是富有诗情的工科教师，三尺讲台桃李满堂；他是中国工程院院士、上海交通大学材料科学与工程学院教授丁文江。教书育人：培养未来科学家殊荣加身的丁文江，始终坚持一线教学，交大校园里至今流传着他在课堂上引用海涅诗歌的佳话。他曾在课堂上引用海涅的诗句：“这是个古老的故事，可是却万古长新；谁要是碰上此事，就会痛碎他的心。”这首诗本是写爱情的，但丁文江用它来形容人类古老的铸造行业，以此勉励学生不畏艰苦、敢于创新。

关键词： WE43镁合金   脉冲激光微细加工   电化学沉积   羟基磷灰石   耐腐蚀性   复合涂层  

摘要： 镁（Mg）合金作为第三代医用材料,具有良好的生物可降解性,加上镁合金有着接近人体骨骼密度和弹性模量的特点,从而能有效避免因弹性模量与人体骨骼不匹配而造成的“应力屏蔽”效应,因此在骨科领域具有良好的应用前景。但是,由于镁合金自身降解速率过快使其会在受损骨骼愈合前就发生机械失效,从而失去对受损骨组织的支撑作用。因此通过何种方法可以改善镁合金材料表征性能成了当下的研究热点。本文首先通过飞秒脉冲激光对WE43型稀土镁合金进行表面改性,然后再在激光处理基础之上进行电化学沉积羟基磷灰石,从而通过形成的复合涂层使材料在模拟体液中的耐腐蚀性和生物活性的得到显著提高。具体研究内容如下: 实验首先采用飞秒超短脉冲激光对WE43镁合金表面进行微细加工,在保持其他激光参数不变的前提下,只改变激光扫描速度,得到了不同扫描速度下的四组样品,研究发现四组样品表面均形成了不规则的微纳米孔隙结构,并且随着扫描速度的提升,孔的直径减小但孔隙数量显著增多,此时在较高扫描速度下孔隙整体排列密度增大,此时孔隙最小直径可达1μm。随后的电化学测试结果表明,相较于裸镁合金,飞秒激光处理后的镁合金试样有着更高的耐腐蚀性和更低的降解速率,且激光在较快扫描速度下试样的耐腐蚀性明显高于较低扫描速度时的耐腐蚀性。 随后采用电化学沉积的方法在激光处理后的WE43镁合金表面成功沉积了羟基磷灰石涂层,结果表明在较低激光扫描速度下,试样上沉积的羟基磷灰石涂层表面存在明显缺陷与孔洞,但当激光扫描速度达到10mm/s时,此时涂层由相互紧密排列的鱼鳞状结构组成,涂层的致密度及均匀度也达到了最大。耐腐蚀性实验表明,激光处理与电化学沉积结合得到的镁合金试样耐腐蚀性总体显著高于只通过飞秒激光加工的样品,此时羟基磷灰石涂层以及激光加工后表面的氧化层形成的复合涂层共同承担对溶液中溶解氧和Cl-离子的阻挡作用。 最后采用CCD高速相机测得不同天数下飞秒激光加工前后镁合金试样表面水接触角以及激光与电化学沉积结合制备得到的复合涂层试样表面的水接触角,发现随着时间的推移,激光处理的样品表面疏水性逐渐增大并趋向于超疏水,激光与电化学沉积得到的复合涂层样品表面则由最初呈现的超亲水逐渐转化为亲水性。因此这使得有着复合涂层的WE43镁合金样品不但相较于裸镁合金以及脉冲激光处理后的试样表面具有更高的耐腐蚀性,而且其在早期所表现出的超亲水性不利于细菌粘附可以减少患者因细菌感染引起的炎症,从而有助于患者受损骨组织的愈合。