镁合金激光表面处理技术的应用

作者：廖宁 肖泽辉

欢迎访问e展厅 展厅 5 激光焊接机展厅 激光淬火, 激光熔覆, ... 引 言 镁合金具有密度小，比强度、比刚度高，导热性好，良好的电磁屏蔽特性和阻尼减震能力。镁合金已经取代许多锌、铝、铸铁和钢等材料，广泛应用于航空航天、汽车、计算机、通讯等行业，特别是汽车行业对镁合金零件的需求量急增，使镁合金的应用表现出强劲的发展势头。然而，镁合金较差的耐磨性、耐蚀性制约着镁合金潜力的发挥。因此，镁合金的表面处理技术受到研究者的高度重视。 激光表面处理技术是近十几年发展起来的一门新技术，相对于目前的镁合金材料表面改性处理技术，激光法由于能进行局部快速加热和通过选择波长使其产生特定的化学反应，所以对材料表面改性更能起到巨大的作用。激光表面处理方法主要有激光表面相变及冲击硬化、激光表面熔凝、激光表面合金化及激光表面熔覆等。其中，运用在镁合金中的激光表面改性技术主要是激光熔凝、激光合金化及激光熔覆。 1 镁合金激光表面熔凝 激光熔凝是利用高功率密度的激光在极短的时间内与金属交互作用，将金属表面局部区域瞬时加热到相当高的温度并使之熔化，随后借助于冷态的金属基体吸热和传热过程使熔化的金属表层快速凝固，从而改变零件表层组织和性能。由于这一过程是在快速加热和快速冷却下完成的，所以得到的硬化层组织较细，硬度也高于常规淬火的硬度。这种技术提高了金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性及强度和高温性能等。 在真空条件下，高亚丽等对AZ91HP镁合金进行了激光熔凝处理。结果发现镁合金激光熔凝层主要是由α3/Mg相和β-Mg17Al12相所构成。随着激光扫描速度的增加，熔凝层硬度、耐磨性也随之增加。但在不同扫描速度下，激光熔凝层耐蚀性较基体镁合金有所降低，且随着扫描速度的降低，熔凝层耐蚀性下降幅度增大。 A Kousomichalis、曾爱平等用KrF激光在真空条件下照射打磨过的AZ3lB4H 试样表面。发现试样表面显微形貌为波纹状，并且激光处理后表面与没有处理的试样相比呈张应力。激光处理层30μm显微硬度比基体的低，激光处理过的试样耐蚀性有较大的提高。 采用Nd:YAG激光器，D Dube等对AZ91D和AM06B两种镁合金进行了激光熔凝处理，其微观结构呈树枝状，晶粒得到细化，虽然经过激光热处理的 AM60B镁合金的腐蚀性能高于AZ91D，但并没有获得显著的提高。甚至在某些工艺参数下会显著降低耐腐蚀性能。Yaojun等在AZ91D镁合金表面进行激光熔凝，熔凝层形成的微观组织结构较均匀，相应地提高了激光熔凝层的耐磨性。利用2kW连续波的CO2激光器，G.Abas等对A3Z1、AZ61和WE43镁合金表面进行激光熔凝，熔凝试样在20℃下被浸没在pH值为10.5的氯化钠(质量分数为5%)溶液中10d，结果显示经过激光熔凝后的镁合金的耐蚀性得到了提高，细化了合金的微观结构，增加了合金元素在 。相固溶体中的浓度，使β相分布得更均匀，形成了1层耐蚀层。 2 镁合金激光表面合金化 激光表面合金化是通过熔化基体表面预先涂覆的膜层和部分基体，或者在表面熔化的同时注人某些粉末，膜层或表面在熔池中液态混合后发生快速凝固，从而在表面形成 1层具有期望性能的合金薄层，以提高基体性能。近些年来，铝及铝合金激光表面合金化研究比较活跃，而对于镁及镁合金的激光表面合金化的研究并不很多。 Wang A A等在镁基体上用激光进行Mg和Al合金化处理，通过TEM的选区电子衍射斑点发现了镁铝合金的存在，其样品的抗腐蚀性能优于铸镁和镁合金。R Galun等采用铝、铜、镍和硅等元素，使用5kWCO2激光器对镁合金表面进行合金化.熔化深度为700-1200μm，表面硬度达到250HV。表面合金层合金元素的质量分数为15%-55%，加人铜合金时，抗腐蚀性能有较大改善，而加人铝合金时抗腐蚀性能显著增强。 3 镁合金激光表面熔覆 激光熔覆技术是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金与基体表面快速熔化，在基体表面形成与基体具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。生成的表层合金层把基体与腐蚀介质隔绝开，材料的腐蚀性能就由合金层决定。镁合金激光表面处理由于不需要真空等苛刻的环境条件，对工件尺寸限制较小，近年来，随着激光熔覆技术的不断完善，其在镁合金表面抗蚀性方面的应用越来越受到国内外研究者的重视。 王安安在类似真空充满惰性气体的反应室中，使用10kWCO2激光器对纯镁进行激光熔覆镁铝合金层。界面上生成了共晶层，改性合金层的组成相为α-Al和β-Mg2Al3腐蚀电位正移了约0.7v，表明激光处理镁合金的耐腐蚀性能优于纯镁。 Yue T M 在常规环境下进行了Mg-SiC复合材料的Nd:YAG激光表面熔覆Al-Si共晶合金，以及在Mg-ZK60/SiC复合材料上使用两步法工艺激光熔覆不锈钢。前者所熔覆的Al-Si合金层，腐蚀电动势无明显变化，但是，腐蚀电流密度比基体材料降低了2个数量级。后者的样品的冶金结合层优良，腐蚀电位为820-1090mV，远高于一般的普通材料和喷涂材料;腐蚀电流1降低了2一4个数量级，两者都相应地提高了镁基金属复合材料地耐蚀性。另外，Yue T M还研究出运用吹粉方式在镁基金属上激光熔覆非晶合金Zr65Al7.5NI10Cu17.5，熔覆厚度大约为 1.5mm，基体表面覆有 1层非晶组织，无结晶组织出现。熔覆样品基体与表面有优良的冶金结合，无多孔和裂纹存在，耐磨性和耐蚀性均优于未熔覆的样品。 4 展 望 镁合金激光表面熔凝方法简单，对硬度和耐蚀性均有提高，但提高的程度有限。激光表面合金化可设计不同硬度的合金层，虽界面为冶金结合，但难以形成均匀的合金化层。激光熔覆可以在镁合金表面引入高硬度、高耐蚀性及高熔点的元素，可形成表面性能优异的强化层，与基体呈冶金结合，是提高镁合金表面性能的有效方法。 钣金随着钣金激钣金光钣金器、机器人和自动控制技术的发展，激光表面改性技术将向着大功率自动化，智能化的方向迈进。激光表面处理技术对环保几乎没有负面效应，作为一种高速高效的表面改性技术，在许多方面已取得大量的成果，在提高镁合金表面性能，延长其使用寿命方面发挥的作用越来越明显，取得的经济效益也越来越显著，未来在防腐蚀工程方面会有极大的运用前景。(end)

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