镁合金表面激光场构建聚醚醚酮基复合功能涂层研究

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镁合金因其比强度高、导热性与导电性好等在工业应用领域拥有着重要角色。但镁合金构件耐磨耐蚀性差等问题限制了其快速发展和应用。由于激光具有能量密度高、稳定性好等优点,被广泛应用于材料表面改性。同时,将高性能有机涂层制备在部件表面,也是改善其使用寿命的重要手段。激光强化不仅提高了表面硬度,而且表面粗糙度的提高也有利于解决涂层与基体结合力不足的问题。通过激光重熔有望进一步减少涂层中出现的气孔等缺陷,进而提高涂层结合力及其力学性能。本文分别以AZ31镁合金和PEEK(聚醚醚酮)粉末为基体和涂层材料,首先,采用飞秒激光辐照镁合金表面制备功能微纳结构,并探究工艺参数对表面形貌及耐磨耐蚀性的影响规律。其次,采用静电喷涂的方法,在微纳结构表面制备PEEK涂层。探讨激光预处理微纳结构表面对涂层结合强度的影响,并对预置涂层的耐摩擦磨损和耐腐蚀等性能进行表征。最后,开展CO2激光重熔PEEK基涂层的加工工艺研究,并进行重熔涂层的拉伸-剪切强度及硬度、耐磨损性能评价。得出以下结论:(1)随着激光扫描速度的降低,能量密度逐渐增加,激光诱导的纳米结构间隙逐渐增大。当V=1000 mm/s时,镁合金表面形成了均匀排列的条纹形貌,条纹平均周期约为0.5μm。V=300 mm/s时,在条纹长度方向发生断裂并粘结合并长大,表面织构趋向于直径约7μm的珊瑚状结构。继续降低扫描速度至V=200 mm/s时,凹槽逐渐加深,形成了间距约3~5μm的不规则凸起结构。随着激光扫描速度的降低,表面粗糙度也相应升高。其中,凸起结构表面的粗糙度最大,Ra=589.3 nm;微纳结构表面显微硬度最高可达到75.44 HV,相比母材提高了26.45%;在相同载荷作用下,条纹、珊瑚、凸起结构表面的磨损量分别是原始抛光表面的88.2%、76.5%和52.9%,耐磨损性能得到显著提高;激光预处理没有明显改变基体表面的腐蚀电位,对镁合金的耐腐蚀性能没有明显改善;三种典型的微纳结构表面均呈现超疏水性。其中,凸起结构接触角最大为141.1°。(2)激光预处理可以提高PEEK涂层与基体的界面剪切强度。其中,凸起结构表面的涂层拉伸-剪切强度最大,达到43.95 MPa;在相同载荷作用下,涂层最小摩擦系数为0.25,相比母材降低了54.55%。涂层磨痕宽度相对于基体减少了32.72%,有效增加了基体表面耐磨性能;PEEK涂层可以减少基体与腐蚀介质的接触面积而降低腐蚀的发生,浸泡实验后涂层表面光滑无脱落,从而增加了基体抗腐蚀能力。(3)根据拉伸实验结果,采用优选的凸起结构涂层进行CO2激光重熔。激光重熔减少了涂层界面空隙,使致密性提高,重熔涂层最大拉伸-剪切强度为57.44 MPa,相对静电喷涂涂层提升了30.69%;与静电喷涂涂层相比,激光重熔后的涂层结晶度降低,导致硬度相对下降42%;激光重熔之后的涂层摩擦系数升高,耐磨性降低。
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