空泡潰滅與Al2O3顆粒聯(lián)合作用下的材料強(qiáng)化模型及實驗驗證

劉 磊, 張 磊, 李龍海, 于 萍, 郭華鋒

(徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221018)

引言

鎂及其合金由于其可降解特性,是潛力巨大的綠色金屬工程材料[1],可作為輕量化材料用于航空航天、汽車等領(lǐng)域,研究表明,傳統(tǒng)汽車每降低100 kg,百公里油耗可減少0.7 L左右,CO2的年排放量將減少30%以上[2]。但是,鎂合金在絕對強(qiáng)度、硬度、耐磨性等方面仍遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)金屬材料[3],成為制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。

近年來,鎂等輕質(zhì)合金的強(qiáng)化方法得到了廣泛關(guān)注[4-6],常規(guī)方法是通過機(jī)械噴丸對鎂合金疲勞性能進(jìn)行強(qiáng)化[7]。一些研究[8-9]啟發(fā)于空泡潰滅的氣液沖擊作用,發(fā)現(xiàn)這種作用方式類似于噴丸,但是對于復(fù)雜零部件的強(qiáng)化效果更佳。這種強(qiáng)化的原理在于:空泡潰滅產(chǎn)生的高速微射流作用于材料表面,作用效果等效于水錘[10],它的沖擊作用增強(qiáng)了表面殘余壓應(yīng)力,進(jìn)而提高了力學(xué)性能[11]。

材料表面的形貌、織構(gòu)、晶粒尺寸等因素能夠影響其性能,因此在水中加入Al2O3納米顆粒,一方面實現(xiàn)空泡潰滅強(qiáng)化,另一方面依靠微射流使Al2O3顆粒滲入鎂合金實現(xiàn)強(qiáng)化。

1 模型建立及特性分析

建立了兩種強(qiáng)化作用模型,分別進(jìn)行研究,如圖1所示。

圖1 兩種作用模型Fig.1 Two action models

1.1 流體動力學(xué)方程

空泡潰滅后主要以“微射流+放熱”的形式釋放能量,為簡化模型,假設(shè)潰滅過程絕熱。

模型a:空泡強(qiáng)化模型,空泡潰滅的能量轉(zhuǎn)化為微射流的動能。

模型b:耦合強(qiáng)化模型,空泡潰滅的能量經(jīng)微射流轉(zhuǎn)化為納米顆粒的動能。

微射流的運(yùn)動滿足質(zhì)量守恒,形式為:

(1)

其中,ρ為密度,t為時間,vx,vy,vz為速度矢量在x,y,z方向的分量。表明單位時間內(nèi)微元體中質(zhì)量的增加量等于同一時間內(nèi)流入微元體的凈質(zhì)量。

根據(jù)N-S方程,流體微元在運(yùn)動過程中的體積力、壓差力、黏性力和慣性力平衡。

(2)

從式(2)可以看出,黏性力對微射流占主導(dǎo)作用、

流場對微射流的阻滯作用明顯,水中100 μm的距離足以使微射流速度從初始時的755 m/s降至2.5 m/s[12]。

結(jié)合式(1)可以看出,微射流能量損失等于克服液體阻力做功,由動能定理可得[13]:

(3)

式中,L—— 空泡中心到樣品表面的距離

Rc—— 空泡潰滅的瞬時半徑

H—— 空泡中心離顆粒壁面的距離

能夠看出,當(dāng)處于模型a時,由于不存在Al2O3顆粒,積分上限由H變?yōu)長。但由于空泡潰滅的位置距壁面較近(微米級),所以H與L的數(shù)值極小。因此,模型a與模型b在能量損失上近似相等。所以可以認(rèn)定:同一空泡源、相同時間內(nèi),兩種模型下樣品所受到的作用能量相當(dāng)。

1.2 強(qiáng)化作用及破壞原理

兩種模型均有強(qiáng)化作用,但時間過長會起到反效果,如圖2所示。

圖2 兩種模型的強(qiáng)化作用及破壞原理Fig.2 Strengthening and failure principles of two models

模型a:鎂合金置于純水溶液中,依靠空泡在近壁面潰滅產(chǎn)生的能量沖擊實現(xiàn)強(qiáng)化。強(qiáng)化階段, 由于微射流作用,樣品表面出現(xiàn)凹坑、且由于潰滅放熱會伴隨元素化學(xué)態(tài)的變化,最終由于作用時間較長導(dǎo)致表面形貌被空蝕破壞。

模型b:在第一種模型基礎(chǔ)上,將Al2O3納米顆粒加入純水中,在空泡潰滅微射流作用下,Al2O3顆粒沖擊鎂合金表面并滲入其中,實現(xiàn)強(qiáng)化,最終同樣由于沖擊時間較長而產(chǎn)生破壞。

對比兩種作用模型可以看出,由于Al2O3顆粒本身性能較好,因此合適的作用參數(shù)下,模型b具有更優(yōu)良的強(qiáng)化效果。

2 實驗方法

實驗采用SLQS1000超聲波空化實驗機(jī)進(jìn)行,如圖3所示,以AZ31鎂合金為實驗對象,其尺寸為20 mm×20 mm×0.5 mm,表面拋光處理;Al2O3顆粒平均尺寸小于50 nm。空化實驗機(jī)超聲功率500 W,超聲頻率20 kHz,變幅桿直徑15 mm,距離鎂合金表面1 mm;設(shè)定溫度20 ℃。

圖3 實驗演示圖Fig.3 Experimental demonstration diagram

實驗研究過程:兩種作用模型分別進(jìn)行5, 10, 15, 20 min實驗。首先分析同時間下不同模型的強(qiáng)化效果及影響;其次分析從強(qiáng)化到破壞的過程。以此驗證上文所提出的模型。

采用掃描電鏡(FEI Inspect F50)研究表面形貌,X射線衍射儀(布魯克D8 advance)分析物相組成,X射線光電子能譜儀(EscaLab 250Xi)分析化學(xué)態(tài)變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 作用方式的影響

圖4為樣品分別采用了空泡強(qiáng)化與耦合強(qiáng)化方法,在進(jìn)行了5 min作用后的表面SEM形貌。

圖4 不同強(qiáng)化方式作用5 min的表面形貌對比Fig.4 Comparison of surface morphology of different strengthening methods for 5 min

由圖4a可以看出,在單純空泡作用下,樣品表面出現(xiàn)圓形凹坑,分布不均勻,凹坑直徑在1～10 μm之間,這是由空泡潰滅產(chǎn)生的微射流沖擊造成的,并且由于微射流的沖擊方向、強(qiáng)度和空泡潰滅的位置相關(guān),因此作用于鎂合金表面的效果不同,導(dǎo)致凹坑尺寸相差較大。而圖4a中1 μm比例尺下的形貌特征是由潰滅放熱所導(dǎo)致的。

如圖4b與圖4a區(qū)別明顯,在空泡-Al2O3顆粒的耦合作用下,樣品表面出現(xiàn)了尺寸較為均勻的凹坑,為8～10 μm,且凹坑內(nèi)部出現(xiàn)了小于100 nm的顆粒,初步推測為Al2O3顆粒滲入樣品表面。由于強(qiáng)化過程中Al2O3顆粒的參與,空泡潰滅的能量并不直接作用于鎂合金表面,而是經(jīng)過了Al2O3顆粒的緩沖,因此凹坑與其相鄰區(qū)域更加連貫平滑[14];同時Al2O3顆粒滲入鎂合金后也增強(qiáng)了表面性能。由此證明了圖2模型所提出的強(qiáng)化作用過程是正確的。且圖4b中1 μm比例尺下的形貌特征與純空泡強(qiáng)化下明顯不同,表明空泡潰滅放熱大部分被Al2O3顆粒吸收,從而對樣品表面微觀形貌影響較小。

為進(jìn)一步證明Al2O3顆粒的滲入,樣品物相譜如圖5所示。

圖5 鎂合金XRD譜Fig.5 XRD spectra of magnesium alloy samples

由圖5可以看出,原始樣品和經(jīng)過強(qiáng)化作用之后的物相組成一致,但是含量發(fā)生了較大變化,根據(jù)文獻(xiàn)[15-17]可知,圖中最高衍射峰為Al2O3?？梢钥闯?兩種強(qiáng)化后Al2O3的含量均明顯增加,但耦合強(qiáng)化后的Al2O3含量更多,證明除了金屬Al轉(zhuǎn)化為Al2O3外,還有Al2O3顆粒滲入樣品。

鎂合金在兩種強(qiáng)化模型下的鎂、鋁的XPS譜如圖6所示。

圖6 XPS高分辨譜圖Fig.6 XPS high-resolution spectrum

由圖6a可知,空泡強(qiáng)化和耦合強(qiáng)化后鎂元素的峰值結(jié)合能分別為1303.6 eV和1303.1 eV,對應(yīng)位置為金屬鎂[18]。對于原始鎂合金樣品,由于其暴露于空氣中,產(chǎn)生了氧化鎂,因此其峰值結(jié)合能為1303.9 eV,根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知, 正是氧化鎂, 表明這兩種強(qiáng)化方式均會對表面氧化鎂產(chǎn)生剝離效果,故而暴露出下層的金屬鎂。

由圖6b可知,空化強(qiáng)化和耦合強(qiáng)化的鋁元素結(jié)合能相同,但強(qiáng)度差距較大。原始鎂合金樣品結(jié)合能72.7 eV,為金屬鋁;空泡強(qiáng)化后,結(jié)合能74.5 eV,金屬鋁失電子轉(zhuǎn)化為三價鋁,以三氧化二鋁形式存在。因此,相對于原始鎂合金樣品,空泡強(qiáng)化后結(jié)合能產(chǎn)生變化,峰值強(qiáng)度未變,即鋁元素價態(tài)變化但含量不變;而耦合強(qiáng)化后峰位同樣位于74.5 eV,但能量更大,說明除金屬鋁轉(zhuǎn)化為三氧化二鋁外,Al2O3顆粒也滲入樣品中,導(dǎo)致鋁元素含量增大,如表1所示。由此再一次驗證了圖2所示的兩種模型強(qiáng)化作用的正確性。

表1 Al元素含量占比Tab.1 Al element content

由于鋁元素在鎂合金中存在多種價態(tài),因此對其進(jìn)行分峰擬合分析,如圖7所示。

圖7 Al2p分峰擬合曲線Fig.7 Al2p peak fitting curve

由圖7可知,原始樣品存在三個波峰,72.63, 74.92, 76.06 eV,分別對應(yīng)了為金屬鋁、三氧化二鋁、以及二者的混合物?？张輳?qiáng)化、耦合強(qiáng)化分別對應(yīng)了74.18, 74.75, 73.98, 74.72 eV四個結(jié)合能位置,均為三氧化二鋁。由文獻(xiàn)[19]可知,鋁氧四面體結(jié)合能約為73.8±0.4 eV,鋁氧八面體結(jié)合能約為74.5±0.4 eV,因此表明經(jīng)過兩種強(qiáng)化后的樣品中鋁元素都是以三氧化二鋁的形式存在,但是配位方式不同。

表面硬度及粗糙情況對比如圖8所示。由圖可見,兩種模式分別強(qiáng)化5 min后,均出現(xiàn)硬度提高,但耦合強(qiáng)化效果更為明顯,為29.1 HV,空泡強(qiáng)化僅提高11.4 HV。表明性能強(qiáng)化不僅與表面形貌的改善相關(guān),Al2O3顆粒的加入同樣對強(qiáng)化效果起到了顯著作用,圖8c能明顯看出Al2O3顆粒滲入,而圖8b則明顯看出空泡潰滅沖擊產(chǎn)生的蜂窩凹坑。

圖8 作用時間5 min的樣品表面硬度及粗糙情況對比Fig.8 Comparison of surface hardness and roughness of samples treated for 5 min

3.2 作用時間的影響

兩種方式長時間作用后,會導(dǎo)致表面形貌的破壞、性能降低,如圖9所示。

圖9 不同作用時間下的表面形貌Fig.9 Surface morphologies under different acting times

由圖9能夠看出,隨著作用時間的增長,兩種作用方式下樣品表面均逐漸出現(xiàn)形貌破壞特征,尤其從15 min開始,表面形貌的破壞加劇。

結(jié)合圖4a對比圖9a、圖9b、圖9c可以看出,空泡作用10 min后,樣品表面由于微射流產(chǎn)生的微凹坑增多且尺寸加大,并逐漸連通,至20 min時凹坑基本完全相互連通。

對比圖4b、圖9d、圖9e、圖9f可以看出,耦合作用方式對樣品從強(qiáng)化到破壞的過程與空泡作用的過程類似,10 min后樣品表面形貌開始出現(xiàn)破壞,Al2O3顆粒與樣品表層的結(jié)合能力下降,大部分顆粒逐漸脫離樣品。

由此證明了圖2模型所提出的破壞作用過程是正確的。隨著表面的破壞,Al2O3顆粒脫離,樣品物相組成基本不變,但Al2O3含量隨作用時間增長而降低,如圖10所示。

圖10 不同作用時間下樣品XRD譜Fig.10 XRD spectra of samples under different action times

由圖10可以看出,經(jīng)長時間耦合作用后的Al2O3含量明顯降低、并逐漸與空泡作用下Al2O3的含量相當(dāng),表明Al2O3顆粒已經(jīng)脫離樣品表面。且Al元素的化學(xué)態(tài)也逐漸和空泡作用結(jié)果類似,如圖11所示。

圖11 不同作用時間下Al2p的XPS譜圖Fig.11 XPS spectra of Al2p at different acting times

可以看出,盡管作用時間不同,但兩種強(qiáng)化模型下鎂合金中Al的結(jié)合能位置大致相同,表明其化學(xué)態(tài)未發(fā)生變化。10～15 min,峰值降低明顯,Al3+大幅減少;15～20 min,空泡作用的峰值反超耦合作用,但相差并不明顯,如表2所示。

硬度隨作用時間的變化如圖12所示。

圖12 硬度隨強(qiáng)化時間的變化Fig.12 Hardness changes with strengthening time

由圖12可知,兩種作用方式對樣品的強(qiáng)化作用呈現(xiàn)高斯分布,5～10 min效果較好,隨后硬度降低速度明顯加快,且耦合作用下降的速度更快,由圖9可知此時開始逐漸破壞逐漸增大,表明硬度與樣品形貌、以及Al2O3顆粒相關(guān)。

4 結(jié)論

(1) 建立了空泡強(qiáng)化模型,依靠空泡在樣品的近壁面潰滅產(chǎn)生能量實現(xiàn)沖擊強(qiáng)化。強(qiáng)化階段,樣品表面形成微小凹坑且伴隨化學(xué)態(tài)的變化;破壞階段,由于作用時間較長導(dǎo)致形貌破壞。通過實驗證明,表面微凹坑是性能強(qiáng)化的關(guān)鍵因素且Al金屬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)也是重要的影響因素,隨著作用時間的增長,表面形貌被空蝕破壞,出現(xiàn)性能降低。

(2) 建立了空泡-Al2O3顆粒耦合強(qiáng)化模型,Al2O3顆粒在微射流作用下撞擊鎂合金表面、并滲入其中,實現(xiàn)強(qiáng)化;最終由于沖擊時間較長而產(chǎn)生破壞,Al2O3顆粒脫離樣品表面。通過實驗證明,相較于空泡強(qiáng)化作用模型,Al2O3顆粒滲入樣品表面是其性能提高的主要因素,且隨著作用時間增長,Al2O3顆粒脫離樣品表面,性能降低。