【摘 要】
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纯锌及锌合金由于其良好的可铸性和机械加工性能,在电镀、铸造、航空航天、汽车等行业中具有广泛的应用,然而由于其力学性能和耐蚀性较差,严重影响了其在使用过程中的寿命。近年来,作为高能束表面改性技术之一的强流脉冲电子束(HCPEB)得到了迅速的发展,通过电子束轰击材料表面使其在短时间内快速加热与冷却产生非平衡凝固,使得表层化学成分均匀,得到过饱和固溶体、纳米晶和细小的第二相颗粒等非平衡凝固组织,进而达到
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纯锌及锌合金由于其良好的可铸性和机械加工性能,在电镀、铸造、航空航天、汽车等行业中具有广泛的应用,然而由于其力学性能和耐蚀性较差,严重影响了其在使用过程中的寿命。近年来,作为高能束表面改性技术之一的强流脉冲电子束(HCPEB)得到了迅速的发展,通过电子束轰击材料表面使其在短时间内快速加热与冷却产生非平衡凝固,使得表层化学成分均匀,得到过饱和固溶体、纳米晶和细小的第二相颗粒等非平衡凝固组织,进而达到改善其表面性能的目的。本文选择纯锌以及Zn-10wt%Cu合金来进行脉冲电子束表面改性处理,通过使用X射线衍射仪(XRD)、三维超景深显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和透射电子显微镜(TEM)来表征其相组成、表面微观结构和成分变化。对处理样品进行表面以及截面显微硬度测试,并在3.5wt%的Na Cl水溶液中进行电化学测试来表征耐腐蚀性能的变化。主要结论如下:(1)XRD检测结果显示,纯锌试样在(002)晶面上的衍射峰强度随着脉冲次数的增加逐渐增强,衍射峰产生了宽化并产生了轻微的偏移,表明晶面间距发生变化,晶格常数a与c产生了相同的变化趋势——先减小后小幅度增加。Zn-10wt%Cu合金表面ε-Cu Zn5相衍射峰强度随着脉冲次数的增加逐渐增强,η-Zn(101)衍射峰产生宽化,a与c均出现不同程度的降低,通过分析可知,两种试样表层晶粒均得到细化。(2)经过脉冲电子束处理过的纯锌和Zn-10wt%Cu合金表面均呈现波纹状或环形山形貌特征,并且出现了大量的“火山坑”。随着脉冲次数的增加,纯锌试样表面“火山坑”的密度逐渐减少,表面变得更加平整光滑,表面胞状晶互相熔合,逐渐形成长条胞状形态,并且表面喷发的小液滴逐渐减少。而Zn-10wt%Cu合金则呈现出与纯锌样品相反的形貌特征,随着脉冲次数的增加,Zn-10wt%Cu合金表面“火山坑”的密度增加,尺寸减小,小液滴的数量和大小则随着脉冲次数的增加而增加。这主要归因于表面层中的ε-Cu Zn5相随着脉冲次数的增加而增加,从而ε-Cu Zn5相和η-Zn相之间的相界增加,在脉冲电子束处理过程中很容易成为火山口喷发部位。(3)经过脉冲电子束处理后,纯锌和Zn-10wt%Cu合金的显微硬度均有所提高。对于纯锌来说,样品的表面硬度由未处理试样的22.8HV增加到15次脉冲处理后的61.7HV(增加了近2.7倍)。对于Zn-10wt%Cu合金,未处理、5次脉冲和15次脉冲样品的硬度分别为56.7HV、164HV和165.9HV,5次脉冲样品和15次脉冲样品的显微硬度均提高了近三倍。对于纯锌和Zn-10wt%Cu合金,截面显微硬度呈现出相同的变化趋势——均在距离表面一定深度达到硬度最高值,之后随着测量深度的增加逐渐减小,直到与基体的硬度一致。硬度提高的原因主要是表面脉冲电子束处理后引起的细晶强化和热应力形变强化。(4)通过在3.5wt%的Na Cl水溶液中的极化曲线以及电化学阻抗谱分析可知,经过脉冲电子束处理后,纯锌和Zn-10wt%Cu合金的耐腐蚀性均得到改善。15次脉冲处理后的纯锌试样具有最优的耐腐蚀性,其腐蚀电位由原始样品的-1.237V增至-1.021V,其腐蚀电流减小至1.021×10-7A·cm-2,与原始样品(2.509×10-6A·cm-2)相比降低了一个数量级;Zn-10wt%Cu合金则是5次脉冲处理试样具有最好的耐腐蚀性能。通过极化曲线可知,处理前后的Zn-10wt%Cu合金均出现了轻微的钝化行为。经过5脉冲处理后的样品,其icorr=3.06×10-6 A·cm-2,是三者中最低(约为未处理样品的1/50),ip=2.807×10-4 A·cm-2,最高的Ecorr=-1.219V和Eb=-0.964V。产生上述结果主要与样品表面状态和表面第二相分布及数量密切相关,纯锌样品在经过5次脉冲处理后表面出现了大量的“火山坑”等腐蚀敏感部位,15次脉冲处理后表面趋于平缓;对于Zn-10wt%Cu合金来说,15次脉冲处理后,表面“火山坑”和小液滴的密度增加,这会引起局部腐蚀并降低耐蚀性。
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