AZ31B鎂合金脈沖激光加工行為的研究.pdf

1、基于輕質(zhì)高強(qiáng)和礦產(chǎn)資源優(yōu)勢(shì)，鎂合金材料成為“陸、海、空、天”交通運(yùn)載裝備等領(lǐng)域的重要優(yōu)勢(shì)材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的綠色結(jié)構(gòu)材料”。
　　 鎂合金材料化學(xué)活性高、熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱快、熱膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，使得其熱加工性能較差，成為制約鎂合金材料廣泛應(yīng)用的瓶頸。與傳統(tǒng)熱加工方法相比，激光加工具有能量密度大、加工效率高、工藝流程短、能源消耗低、綠色加工與柔性制造等特點(diǎn)，被稱為“未來(lái)制造系統(tǒng)共同的加工手段”。而以高能量高頻

2、率的優(yōu)勢(shì)，脈沖激光成為鎂合金材料熱加工的一個(gè)重要途徑，將有利于拓展鎂合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，研究鎂臺(tái)金材料脈沖激光加工行為，將具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　 針對(duì)鎂合金材料吸光率低、產(chǎn)熱少、散熱快的特點(diǎn)，本課題與相關(guān)研究單位合作，設(shè)計(jì)研制了高能量高頻率的固體Nd：YAG脈沖激光器及其加工裝備。系統(tǒng)研究了脈沖激光作用下．AZ3 1B鎂合金材料切割、焊接、熔凝及熔覆等加工行為，并在此基礎(chǔ)上，探索了激光加熱·液氮深冷極端冷卻條

3、件下鎂合金材料表面納米化和非晶化行為。本研究取得以下結(jié)論：
　　 設(shè)計(jì)并研制成功一臺(tái)單泵浦腔平均功率大于500W的固體Nd：YAG脈沖激光器。激光光束波長(zhǎng)1.064μm，頻率1-,2000Hz可調(diào)。峰值功率9200W，單脈沖能量83.8J；光束參數(shù)乘積K1為1 6.5mm．Mrad，聚焦光斑理論直徑最小可達(dá)12.7μm；并制造丁與該激光器相適應(yīng)的數(shù)控加工系統(tǒng)。
　　 探索了鎂合金材料脈沖激光切割機(jī)理、切割質(zhì)量影響因素和切

4、割斷面微觀組織結(jié)構(gòu)。研究表明：在脈沖激光作用下，鎂合金材料微區(qū)熔化、氣化、燃燒以及氣流力的協(xié)調(diào)“挖掘”機(jī)制，使得鎂合金激光切割成為可能。
　　 單脈沖能量、峰值功率、脈沖頻率、脈沖寬度、離焦量和氣體種類是切割質(zhì)量的主要影響因素。重熔層與母材交界處沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的熱影響區(qū)，這是由于脈沖激光快速加熱和快速冷卻的特點(diǎn)所致。在優(yōu)化參數(shù)情況下，切割厚度可達(dá)到6mm以上。
　　 研究了鎂合金材料拘束作用下脈沖激光焊接冶金微觀組織和缺陷

5、產(chǎn)生機(jī)理。結(jié)果表明，元素?zé)龘p、蒸發(fā)、飛濺、裂紋、氣孔、夾雜是存在的主要問(wèn)題。裂紋形式主要是結(jié)晶熱裂紋，氫氣孔是焊縫金屬中主要的氣孔形式。脈沖激光快熱快冷可使焊接接頭組織細(xì)化，平均晶粒尺寸從母材的10-30μm細(xì)化到3～10μm。晶粒細(xì)化和晶內(nèi)彌散分布的細(xì)小顆粒狀β-Mg17Al12是焊縫金屬顯微硬度提高的主要原因，最大硬度值可達(dá)72HV0.05細(xì)小晶粒對(duì)焊縫金屬脆性斷裂有所改善，斷口局部顯示出塑性斷裂的形貌。
　　 采用脈沖激光

6、對(duì)AZ31B鎂臺(tái)金材料表面進(jìn)行熔凝試驗(yàn)。結(jié)果表明，熔凝層微觀組織明顯細(xì)化，晶粒尺寸約為2-10μm，并存在大量的胞狀亞結(jié)構(gòu)。
　　 TEM電鏡觀察發(fā)現(xiàn)大量納米尺寸的β-Mg17Al12相，且均勻彌散分布于胞狀亞結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。熔凝層顯微硬度約為原始鎂合金的2倍，腐蝕電位比原始鎂合金正移了約106mV，這是由于晶粒細(xì)化、第二相粒子彌散強(qiáng)化、雜質(zhì)元素固溶以及Al含量增加等綜合作用的結(jié)果。
　　 利用脈沖激光在AZ3 1B鎂合金材

7、料表面成功制各了A1-Si和Al2O3-TiO2復(fù)合陶瓷涂層。當(dāng)Al2O3-TiO2陶瓷粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15％時(shí)，具有良好的熔覆工藝性能。復(fù)合涂層與基體結(jié)合區(qū)成份過(guò)渡平緩，達(dá)到了良好的冶金結(jié)合。復(fù)合涂層中陶瓷顆粒大多以“質(zhì)點(diǎn)”形式鑲嵌，同時(shí)有Mg2Si和鎂鋁金屬間化合物生成，局部區(qū)域還發(fā)現(xiàn)有未熔的陶瓷顆粒。復(fù)合涂層的平均顯微硬度達(dá)到225HV0+05，約是單-Al—Si涂層的1.5倍，其強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化及彌散強(qiáng)化。復(fù)合涂層

8、的摩擦磨損機(jī)制以磨粒磨損為主，氧化磨損和粘著磨損為輔。屯化學(xué)腐蝕結(jié)果表明，復(fù)合涂層的抗腐蝕性都得到了改善，其原因是由于陶瓷顆粒和生成的鎂鋁金屬間化合物提高整個(gè)復(fù)合涂層的腐蝕電位，同時(shí)晶粒細(xì)化也降低了電偶腐蝕的有效陰陽(yáng)極面積。
　　 在以上研究的基礎(chǔ)上，提出了激光加熱·液氮冷卻的極端快速熔凝的方法，在鎂合金表面成功獲得了納米晶和非晶的混合組織，從材料凝固特性及晶體生長(zhǎng)熱力學(xué)方面探討了納米晶和非晶的形成機(jī)理。液氮冷卻改性層顯微硬度最