專利名稱：基于激光沖擊強化技術提高鎂合金耐腐蝕性的方法
技術領域：
本發明涉及材料表面改性與激光沖擊強化技術領域，特指一種激光沖擊強化處理技術與提高鎂合金表面抗腐蝕能力的方法。
背景技術：
鎂合金是目前工業應用的最輕的金屬結構材料之一，密度僅為1.3×103～1.9×103kg/m3不等，約為鋁的2/3，鐵的1/4，正是這一特性使其成為航空航天業、汽車工業和電子通訊業中首選的替代產品，以實現減重的目的。鎂合金還具有高的比強度、比剛度以及良好的鑄造、焊接、阻尼減震、切削加工和尺寸穩定性等，再加上鎂資源豐富，鎂合金產品可回收再利用等特點，使得鎂合金有望得到長遠的發展，預計將成為21世紀重要的商用輕質材料。但是，鎂在所有結構金屬中具有最低電位；此外，鎂的氧化膜疏松，不像氧化鋁膜那樣致密而有保護性，所以鎂合金的耐蝕性能較差。鎂合金作為結構材料應用的潛力和現實之間存在著很大差距，這與鎂合金耐蝕性有著直接的關系，差的耐蝕性已成為制約鎂合金潛能發揮的瓶頸。加強鎂合金耐蝕性的研究，積極探索增強鎂合金耐蝕性的途徑，對于推動鎂合金作為結構件的應用并充分發揮其性能優勢有著重要的意義。
目前提高鎂合金耐蝕性能的方法主要有(1)提高鎂合金的純度，將鎂合金中危害其耐蝕性的雜質元素的含量降到臨界值以下；(2)在鎂合金中加入新的元素，以改善鎂合金的微觀組織來提高鎂合金的耐蝕性能；(3)采用快速凝固方法，使鎂合金由液相到固相的冷卻速度相當快(大于105K/s)，以改善鎂合金的微觀結構提高鎂合金的耐蝕性能；(4)采用表面處理技術提高其耐蝕性，主要包括化學轉化處理，陽極氧化處理，金屬鍍層，激光表面改性，有機涂層等。
激光表面改性技術具有對基體熱影響小和易于實現自動化的優點，目前可查閱的國內外文獻、專利中，見報道的激光表面改性技術主要是利用了激光的熱效應，而采用基于力效應的激光沖擊強化處理技術提高鎂合金表面耐腐蝕性的方法未見報道。如美國專利US4613386，“Method of making corrosion resistantmagnesium and aluminum oxyalloys”，該方法首先在鎂合金表面沉積一層不超過1.5mm厚的鋁、硅、鈦、錳、鋯等合金元素，然后在有氧環境下用高能脈沖激光輻照表面，在鎂合金表面形成一層耐腐蝕的合金氧化層。我國專利CN1629352“鎂合金激光表面強化修復方法”，該方法使用脈沖激光或二氧化碳激光，在大氣條件下，使用氬氣(或氦氣或氬氣、氦氣的混合氣體)進行保護，對鎂合金的疏松、氣孔、裂紋、縮孔、腐蝕坑等缺陷以及缺肉、尺寸超差等進行強化修復。英國G.Abbas等人在文獻“Corrosion behavior of laser-melted magnesium alloys”中研究了采用氬氣作為保護氣體，采用1.5kW連續CO2激光輻照鎂合金AZ31、AZ61表面，光斑直徑為2mm，掃描速度為160mm/s，掃描道間的搭接量為50％。該方法采用激光表面重熔技術，利用了激光熱效應，使鎂合金表面快速融化，隨后在基體的自身熱傳導下使表面快速冷卻，表面微觀組織得到改善，在5％的NaCl溶液中浸泡腐蝕實驗表明，經激光重熔后的鎂合金表面的耐腐蝕性得到明顯提高。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于力效應的激光沖擊強化技術(LSP)來提高鎂合金表面耐腐蝕能力的新技術。
激光沖擊強化(Laser Shock Processing或Laser Shock Peening)簡稱LSP技術，是一種具有非常好前景的加工手段，其原理是高功率密度(GW/cm2級)短脈沖(ns級)激光作用于材料表面，表層材料吸收激光能量后產生等離子體，等離子體噴射爆炸形成強烈的沖擊波。本發明在材料表面覆以約束介質和吸收涂層，大大增強了激光誘導的沖擊波強度和作用時間，沖擊波強度達到GPa量級，遠遠超過材料的動態屈服強度，在材料表層產生一個塑性變形層。塑性變形層內存在著殘余壓應力和高密度位錯，這些因素使鎂合金表面的耐腐蝕性能得到顯著提高。
本發明將鎂合金表面涂上能量吸收涂層，采用對激光透明的水或玻璃做約束層，采用激光的功率密度為GW/cm2量級，脈沖寬度為納秒級，激光沖擊工件表面，光斑間的面積搭接量＞72％。所述能量吸收涂層為專利02138338.3“一種用于激光沖擊處理的柔性貼膜”所述的柔性貼膜。
將鎂合金表面經激光沖擊強化處理后的區域與未處理的區域進行中性鹽霧腐蝕(NSS)對比試驗，試驗溫度為35℃±1℃，鹽霧噴液為化學純NaCl和蒸餾水配置的5％的NaCl水溶液，pH＝6.5～7.2，鹽霧沉降量為1～2ml/80cm2·h。試驗結果表明，經激光沖擊強化處理后的區域，其腐蝕坑開始出現的時間明顯晚于未處理區域，經鹽霧實驗連續噴霧20小時后，激光沖擊強化區的腐蝕坑的密度、尺寸明顯小于未處理區域，未處理區域腐蝕坑的面積約占20％，而經激光強化處理后的區域的腐蝕坑的面積不足5％(見圖2)。
本發明的優點如下(1)本方法在激光沖擊處理前在鎂合金表面涂以黑色能量吸收涂層，極大地提高了激光能量的利用率。如果將波長為1054nm的Nd玻璃激光直接輻照鎂合金表面，鎂合金表面對激光的吸收率約為4％，造成很大一部分激光能量的浪費，而表面吸收涂層基本能完全吸收激光能量，表面涂層充分吸收激光能量后，能產生更多等離子體，在材料內誘發壓力更大、持續時間更長的激光沖擊波，同時表面涂層可有效防止鎂合金表面熔化和汽化，激光沖擊強化處理后的表面沒有燒傷痕跡。
(2)本方法在激光沖擊時采用水或玻璃做約束層，不僅起到增大應力波峰壓的作用，而且還使應力波的半高寬度增大一倍。激光沖擊強化時采用約束層，可使涂層吸收激光能量后產生向外噴濺的等離子體受到約束，阻礙等離子體的膨脹，從而產生更高的沖擊波壓力。
(3)激光沖擊產生的高幅度沖擊波，沖擊波強度高達Gpa量級，沖擊強度遠遠超過材料的動態屈服強度，在材料表層造成一個塑性變形層，塑性層中存在著表面殘余壓應力和高密度位錯，材料表層硬度也有明顯增加，這不僅提高了鎂合金的耐腐蝕性能，也提高了表面的耐磨性和材料的抗疲勞性能。
(4)本方法對鎂合金基體無熱損傷，由于激光脈沖短，只有幾十納秒，激光與金屬表面作用時間短，且大部分激光能量被吸收涂層吸收，由于吸收層的熱障保護，傳到金屬表面的熱量很少，因此不會造成基體的熱損傷。
(5)本方法可以對工件角落進行處理，由于激光光斑大小可調，且能精確控制和定位，所以能夠對一些傳統工藝不能處理的部位進行處理。
圖1本發明的結構示意2激光沖擊處理后的試樣經20小時連續鹽霧腐蝕后的表面宏觀形貌3處理區都能受到激光輻照的光斑搭接圖1.激光發生器控制系統2.脈沖激光發生器3.聚焦透鏡4.約束層5.吸收涂層6.工件7.數控工作臺8.數控工作臺控制系統9.激光沖擊處理后的區域經鹽霧腐蝕后的形貌10.未處理區域經鹽霧腐蝕后的形貌11.激光光斑具體實施方式
激光沖擊鎂合金的結構裝置示意圖見圖1。將工件表面均勻涂上約100μm厚的黑漆吸收涂層，等涂層干了以后，將工件固定在數控工作臺上，工作臺的運動由工作臺控制系統控制。激光器采用Nd玻璃激光器，波長1054nm，脈沖寬度20ns，光束直徑1～20mm可調，激光脈沖能量1～50J/Pluse可調，通過激光器控制系統調整激光參數，將激光功率密度控制在GW/cm2量級。激光沖擊處理時，采用水做約束層，對工件表面進行大面積沖擊強化處理時，應將各光斑間的面積搭接量控制在73％以上，因為所用激光光斑為圓形，要使整個處理區都受到激光輻照，則光斑間應有一定的搭接量(見圖3)，理論計算表明，其重疊面積應在73％以上，考慮到激光能量呈準高斯分布，光斑中心能量密度較大，而光斑邊緣激光能量密度較小，實驗表明，將各光斑間的面積搭接量控制在80％左右，激光沖擊處理后的鎂合金的耐腐蝕性能得到顯著提高。
本實施例采用黑漆作為吸收涂層，黑漆成本低、效果好，且在激光沖擊處理后容易去除。
本實施例采用水作為約束層，水對波長為1054nm的Nd玻璃激光透明，另外，采用水做約束層，便于在工業中推廣應用。
權利要求
1.基于激光沖擊強化技術提高鎂合金耐腐蝕性的方法，其特征在于將鎂合金表面涂上能量吸收涂層，采用水或玻璃做約束層，采用激光的功率密度為GW/cm2量級，脈沖寬度為納秒級，激光沖擊工件表面，光斑間的面積搭接量＞72％。
2.根據權利要求1所述的基于激光沖擊強化技術提高鎂合金耐腐蝕性的方法，其特征在于所述能量吸收涂層為專利02138338.3“一種用于激光沖擊處理的柔性貼膜”所述的柔性貼膜。
3.根據權利要求1所述的基于激光沖擊強化技術提高鎂合金耐腐蝕性的方法，其特征在于各光斑間的面積搭接量約為80％。
全文摘要
本發明提供一種基于激光沖擊強化技術(LSP)來提高鎂合金表面耐腐蝕能力的新技術。將鎂合金表面涂上能量吸收涂層，用對激光透明的水或玻璃等做約束層，采用高功率密度為GW/cm
文檔編號C22F1/06GK1986841SQ20061009739
公開日2007年6月27日 申請日期2006年11月3日 優先權日2006年11月3日
發明者張永康, 陳菊芳, 許仁軍 申請人:江蘇大學