激光表面處理技術(shù)在鎂合金中應(yīng)用研究

    鎂合金具有密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，導(dǎo)熱性好，良好的電磁屏蔽特性和阻尼減震能力。鎂合金已經(jīng)取代許多鋅、鋁、鑄鐵和鋼等材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、計(jì)算機(jī)、通訊等行業(yè)，特別是汽車行業(yè)對(duì)鎂合金零件的需求量急增，使鎂合金的應(yīng)用表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。然而，鎂合金較差的耐磨性、耐蝕性制約著鎂合金潛力的發(fā)揮。因此，鎂合金的表面處理技術(shù)受到研究者的高度重視。
    激光表面處理技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，相對(duì)于目前的鎂合金材料表面改性處理技術(shù)，激光法由于能進(jìn)行局部快速加熱和通過選擇波長(zhǎng)使其產(chǎn)生特定的化學(xué)反應(yīng)，所以對(duì)材料表面改性更能起到巨大的作用。激光表面處理方法主要有激光表面相變及沖擊硬化、激光表面熔凝、激光表面合金化及激光表面熔覆等。其中，運(yùn)用在鎂合金中的激光表面改性技術(shù)主要是激光熔凝、激光合金化及激光熔覆。
1 鎂合金激光表面熔凝
    激光熔凝是利用高功率密度的激光在極短的時(shí)間內(nèi)與金屬交互作用，將金屬表面局部區(qū)域瞬時(shí)加熱到相當(dāng)高的溫度并使之熔化，隨后借助于冷態(tài)的金屬基體吸熱和傳熱過程使熔化的金屬表層快速凝固，從而改變零件表層組織和性能。由于這一過程是在快速加熱和快速冷卻下完成的，所以得到的硬化層組織較細(xì)，硬度也高于常規(guī)淬火的硬度。這種技術(shù)提高了金屬材料及零件的表面硬度、耐磨性、耐蝕性及強(qiáng)度和高溫性能等。
    在真空條件下，高亞麗等對(duì)AZ91HP鎂合金進(jìn)行了激光熔凝處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎂合金激光熔凝層主要是由α3/Mg相和β-Mg17Al12相所構(gòu)成。隨著激光掃描速度的增加，熔凝層硬度、耐磨性也隨之增加。但在不同掃描速度下，激光熔凝層耐蝕性較基體鎂合金有所降低，且隨著掃描速度的降低，熔凝層耐蝕性下降幅度增大。
    A Kousomichalis、曾愛平等用KrF激光在真空條件下照射打磨過的AZ3lB4H 試樣表面。發(fā)現(xiàn)試樣表面顯微形貌為波紋狀，并且激光處理后表面與沒有處理的試樣相比呈張應(yīng)力。激光處理層30μm顯微硬度比基體的低，激光處理過的試樣耐蝕性有較大的提高。
    采用Nd:YAG激光器，D Dube等對(duì)AZ91D和AM06B兩種鎂合金進(jìn)行了激光熔凝處理，其微觀結(jié)構(gòu)呈樹枝狀，晶粒得到細(xì)化，雖然經(jīng)過激光熱處理的 AM60B鎂合金的腐蝕性能高于AZ91D，但并沒有獲得顯著的提高。甚至在某些工藝參數(shù)下會(huì)顯著降低耐腐蝕性能。Yaojun等在AZ91D鎂合金表面進(jìn)行激光熔凝，熔凝層形成的微觀組織結(jié)構(gòu)較均勻，相應(yīng)地提高了激光熔凝層的耐磨性。利用2kW連續(xù)波的CO2激光器，G.Abas等對(duì)A3Z1、AZ61和WE43鎂合金表面進(jìn)行激光熔凝，熔凝試樣在20℃下被浸沒在pH值為10.5的氯化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)溶液中10d，結(jié)果顯示經(jīng)過激光熔凝后的鎂合金的耐蝕性得到了提高，細(xì)化了合金的微觀結(jié)構(gòu)，增加了合金元素在 。相固溶體中的濃度，使β相分布得更均勻，形成了1層耐蝕層。
2 鎂合金激光表面合金化
    激光表面合金化是通過熔化基體表面預(yù)先涂覆的膜層和部分基體，或者在表面熔化的同時(shí)注人某些粉末，膜層或表面在熔池中液態(tài)混合后發(fā)生快速凝固，從而在表面形成 1層具有期望性能的合金薄層，以提高基體性能。近些年來(lái)，鋁及鋁合金激光表面合金化研究比較活躍，而對(duì)于鎂及鎂合金的激光表面合金化的研究并不很多。
    Wang A A等在鎂基體上用激光進(jìn)行Mg和Al合金化處理，通過TEM的選區(qū)電子衍射斑點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了鎂鋁合金的存在，其樣品的抗腐蝕性能優(yōu)于鑄鎂和鎂合金。R Galun等采用鋁、銅、鎳和硅等元素，使用5kWCO2激光器對(duì)鎂合金表面進(jìn)行合金化.熔化深度為700-1200μm，表面硬度達(dá)到250HV。表面合金層合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%-55%，加人銅合金時(shí)，抗腐蝕性能有較大改善，而加人鋁合金時(shí)抗腐蝕性能顯著增強(qiáng)。
3 鎂合金激光表面熔覆
    激光熔覆技術(shù)是利用高能密度激光束將具有不同成分、性能的合金與基體表面快速熔化，在基體表面形成與基體具有完全不同成分和性能的合金層的快速凝固過程。生成的表層合金層把基體與腐蝕介質(zhì)隔絕開，材料的腐蝕性能就由合金層決定。鎂合金激光表面處理由于不需要真空等苛刻的環(huán)境條件，對(duì)工件尺寸限制較小，近年來(lái)，隨著激光熔覆技術(shù)的不斷完善，其在鎂合金表面抗蝕性方面的應(yīng)用越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。
    王安安在類似真空充滿惰性氣體的反應(yīng)室中，使用10kWCO2激光器對(duì)純鎂進(jìn)行激光熔覆鎂鋁合金層。界面上生成了共晶層，改性合金層的組成相為α-Al和β-Mg2Al3腐蝕電位正移了約0.7v，表明激光處理鎂合金的耐腐蝕性能優(yōu)于純鎂。
    YueT M 在常規(guī)環(huán)境下進(jìn)行了Mg-SiC復(fù)合材料的Nd:YAG激光表面熔覆Al-Si共晶合金，以及在Mg-ZK60/SiC復(fù)合材料上使用兩步法工藝激光熔覆不銹鋼。前者所熔覆的Al-Si合金層，腐蝕電動(dòng)勢(shì)無(wú)明顯變化，但是，腐蝕電流密度比基體材料降低了2個(gè)數(shù)量級(jí)。后者的樣品的冶金結(jié)合層優(yōu)良，腐蝕電位為820-1090mV，遠(yuǎn)高于一般的普通材料和噴涂材料;腐蝕電流1降低了2一4個(gè)數(shù)量級(jí)，兩者都相應(yīng)地提高了鎂基金屬?gòu)?fù)合材料地耐蝕性。另外，Yue T M還研究出運(yùn)用吹粉方式在鎂基金屬上激光熔覆非晶合金Zr65Al7.5NI10Cu17.5，熔覆厚度大約為 1.5mm，基體表面覆有 1層非晶組織，無(wú)結(jié)晶組織出現(xiàn)。熔覆樣品基體與表面有優(yōu)良的冶金結(jié)合，無(wú)多孔和裂紋存在，耐磨性和耐蝕性均優(yōu)于未熔覆的樣品。
4 展 望
    鎂合金激光表面熔凝方法簡(jiǎn)單，對(duì)硬度和耐蝕性均有提高，但提高的程度有限。激光表面合金化可設(shè)計(jì)不同硬度的合金層，雖界面為冶金結(jié)合，但難以形成均勻的合金化層。激光熔覆可以在鎂合金表面引入高硬度、高耐蝕性及高熔點(diǎn)的元素，可形成表面性能優(yōu)異的強(qiáng)化層，與基體呈冶金結(jié)合，是提高鎂合金表面性能的有效方法。
    鈑金隨著鈑金激鈑金光鈑金器、機(jī)器人和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，激光表面改性技術(shù)將向著大功率自動(dòng)化，智能化的方向邁進(jìn)。激光表面處理技術(shù)對(duì)環(huán)保幾乎沒有負(fù)面效應(yīng)，作為一種高速高效的表面改性技術(shù)，在許多方面已取得大量的成果，在提高鎂合金表面性能，延長(zhǎng)其使用壽命方面發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯，取得的經(jīng)濟(jì)效益也越來(lái)越顯著，未來(lái)在防腐蝕工程方面會(huì)有極大的運(yùn)用前景。