AZ31B鎂合金脈沖激光加工行為的研究.pdf

1、基于輕質(zhì)高強和礦產(chǎn)資源優(yōu)勢，鎂合金材料成為“陸、海、空、天”交通運載裝備等領域的重要優(yōu)勢材料，被譽為“21世紀最具發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗木G色結(jié)構(gòu)材料”。
　　 鎂合金材料化學活性高、熔點低、導熱快、熱膨脹系數(shù)大等特點，使得其熱加工性能較差，成為制約鎂合金材料廣泛應用的瓶頸。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，被稱為“未來制造系統(tǒng)共同的加工手段”。而以高能量高頻

2、率的優(yōu)勢，脈沖激光成為鎂合金材料熱加工的一個重要途徑，將有利于拓展鎂合金材料的應用領域。因此，研究鎂臺金材料脈沖激光加工行為，將具有重要的理論意義和應用價值。
　　 針對鎂合金材料吸光率低、產(chǎn)熱少、散熱快的特點，本課題與相關研究單位合作，設計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：
　　 設計并研制成功一臺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12.7μm；并制造丁與該激光器相適應的數(shù)控加工系統(tǒng)。
　　 探索了鎂合金材料脈沖激光切割機理、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所致。在優(yōu)化參數(shù)情況下，切割厚度可達到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)生機理。結(jié)果表明，元素燒損、蒸發(fā)、飛濺、裂紋、氣孔、夾雜是存在的主要問題。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化，平均晶粒尺寸從母材的10-30μm細化到3～10μm。晶粒細化和晶內(nèi)彌散分布的細小顆粒狀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72HV0.05細小晶粒對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AZ31B鎂臺金材料表面進行熔凝試驗。結(jié)果表明，熔凝層微觀組織明顯細化，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，這是由于晶粒細化、第二相粒子彌散強化、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復合陶瓷涂層。當Al2O3-TiO2陶瓷粉末的質(zhì)量分數(shù)小于15％時，具有良好的熔覆工藝性能。復合涂層與基體結(jié)合區(qū)成份過渡平緩，達到了良好的冶金結(jié)合。復合涂層中陶瓷顆粒大多以“質(zhì)點”形式鑲嵌，同時有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。復合涂層的平均顯微硬度達到225HV0+05，約是單-Al—Si涂層的1.5倍，其強化機制為細晶強化、固溶強化及彌散強化。復合涂層

8、的摩擦磨損機制以磨粒磨損為主，氧化磨損和粘著磨損為輔。屯化學腐蝕結(jié)果表明，復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復合涂層的腐蝕電位，同時晶粒細化也降低了電偶腐蝕的有效陰陽極面積。
　　 在以上研究的基礎上，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熱力學方面探討了納米晶和非晶的形成機理。液氮冷卻改性層顯微硬度最