激光熔凝和超声冲击局部强化镁合金高温拉伸性能的方法与流程

本发明属于金属材料高温力学性能领域，特别涉及一种激光熔凝和超声冲击局部强化镁合金高温拉伸性能的方法。

背景技术：

镁合金被誉为“21 世纪绿色工程金属结构材料”，具有比重小、比强度高、比刚度高、导热导电性好、切削加工性好、优良的阻尼性和电磁屏蔽性、易于回收等优点，可以满足现在交通工具对轻量化、节能和环保的要求，符合可持续发展的原则。因此，镁合金在航天航空、汽车、计算机、通信等行业已有广泛的应用。

但当前，限制镁合金应用的一个重要原因就是其耐热性较差，强度受温度限制，在150℃以上的工作环境下镁合金强度会大幅度降低，难以用于高温长时间使用的部件。目前，在航空航天器和汽车工业领域上镁合金零部件的应用正由结构简单件向结构复杂件跨越，这对镁合金的高强度和耐热性等提出了更高的要求。

目前，改善镁合金强度和耐热性的方法主要有：一是改善热处理工艺，这种方法生产周期长在实际生产中具有一定程度的局限性，且改善镁合金高温力学性能效果不显著；二是添加稀土元素，这种方法虽然可以有效改善镁合金的高温力学性能，但由于稀土元素价格昂贵，将导致生产成本增加，同时由于稀土元素的添加，会致使合金的凝固温度降低，在铸造和焊接后分别会产生缩孔和裂纹缺陷，因此无法实现在复杂镁合金部件上的广泛快速应用。因此，提供一种低成本且能有效提高镁合金高温力学性能的方法，以期改善镁合金部件的高温服役寿命已迫在眉睫。

激光局部处理技术已被证实可以提高金属材料在常温时的性能，但对金属材料的高温力学性能涉及较少。发明专利一种仿生耦合强韧化机械零部件的方法（申请号CN201110171734.2，公开日期2011-06-24），利用激光局部处理技术以提高高速轨道客车天线支架材料的常温静载拉伸性能，但是由于激光熔凝或熔覆处理会在材料表层形成残余拉应力，如果材料内部存在微观缺陷或使用过程中产生裂纹缺陷，残余拉应力将导致材料的加速破坏；发明专利一种磁控激光仿生复合强化方法（申请号CN201310716814.0，公开日期2013-12-24），利用激光局部处理技术与磁场相复合的方法以改善激光处理后产生的残余应力并细化金属材料的微观组织，以期提高金属材料的表面性能，但是由于该方法只限于简单金属零部件的应用，不适应于复杂零部件的应用，这是因为金属零部件越复杂施加在材料表面的旋转磁场越不均匀，将降低改善效果，另外，对于镁合金这种无磁性的金属材料而言，其细晶强化效果不显著。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种激光熔凝和超声冲击局部强化镁合金高温拉伸性能的方法，目的是通过利用激光熔凝和超声冲击复合局部处理镁合金表面，达到进一步细化处理区域晶粒尺寸的效果，同时激光熔凝和超声冲击复合能够消除激光熔凝处理产生残余拉应力，从而有效提高镁合金材料的高温拉伸性能，延长镁合金部件高温服役寿命。超声冲击处理执行机构轻巧、使用方便、效率高、成本低且节能。本发明尤其适合于形状复杂的镁合金零部件。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

（1）用砂纸打磨镁合金表面，用酒精进行表面清洗后对镁合金表面进行黑化处理；

（2）采用激光束对镁合金表面进行局部熔凝处理，激光功率为600W，离焦量为-8~+8mm，脉冲宽度为2~18ms，电流为70~220mA，频率为2~10Hz，扫描速度为0.5~30mm/s，激光束在镁合金表面形成若干条“S”形或若干个正多边形的熔凝路径，用酒精擦拭干净表面；

（3）采用超声冲击沿激光束的熔凝路径，对激光熔凝区域进行强化处理，超声冲击单针头直径为0.2mm~5mm，冲击电流为1~5A，振幅为5~20μm，冲击次数为1~5次，得到高温拉伸性能改善的镁合金。

其中，所述的黑化处理是采用刷或喷涂方式将涂料施涂在镁合金表面，涂料骨料为活性碳，粘合剂为聚乙烯醇，稀释剂为乙醇。

所述的局部熔凝处理的区域深度为0.1~3mm，宽度为0.2~5mm。

所述的相邻两条“S”形路径的距离为5mm~40mm。

所述的正多边形为正四边形、正五边形和正六边形，正多边形尺寸由其内切圆半径确定，内切圆半径为2.5mm~20mm。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明首先采用激光熔凝处理在镁合金表面进行局部处理，然后利用超声冲击设备沿激光处理痕迹进行二次强化处理，不仅能改善激光熔凝处理后的残余应力状态，使残余拉应力转变为残余压应力，还能够进一步细化激光处理区域的晶粒尺寸。

本发明的激光+超声冲击处理区域作为强化区域在高温拉伸过程中不产生动态再结晶，在高温使用环境中始终作为强化区域存在，而未经激光+超声冲击处理的区域则保持镁合金的原始组织，在高温拉伸过程中会产生动态再结晶，其高温强度会大幅降低。因此，与未处理镁合金相比，本发明的经激光熔凝+超声冲击局部强化的镁合金能够最大限度的提高镁合金在高温使用环境的强度，同时使韧性下降较小，从而延长镁合金部件高温服役寿命，对于加快航空航天和汽车工业领域上镁合金零部件的广泛应用具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明实施例1中激光熔凝和超声冲击复合处理镁合金局部的“S”形路径示意图；

图2为本发明中激光熔凝和超声冲击复合处理镁合金局部的正四边形路径示意图；

图3为本发明实施例2中激光熔凝和超声冲击复合处理镁合金局部的正五边形路径示意图；

图4为本发明实施例3中激光熔凝和超声冲击复合处理镁合金局部的正六边形路径示意图；

图1~图4中H代表激光熔凝的深度；D代表激光熔凝的宽度；

图5是实施例1中待处理的镁合金的原始金相组织图；

图6是实施例1中经激光熔凝处理后的镁合金金相组织图；

图7是实施例1中经超声冲击强化的镁合金金相组织图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的激光熔凝和超声冲击局部强化镁合金高温拉伸性能的方法按照以下步骤进行：

（1）用砂纸打磨镁合金表面，镁合金金相原始组织图如图5所示，用酒精进行表面清洗后对镁合金表面进行黑化处理，在镁合金表面喷涂黑化涂料；

（2）采用激光束对镁合金表面进行局部熔凝处理，处理区域深度H为0.5mm，宽度D为1mm，激光功率为600W，离焦量为-5mm，脉冲宽度为5ms，电流为75mA，频率为3Hz，扫描速度为0.5mm/s，激光束在镁合金表面形成如图1所示的若干条“S”形的熔凝路径，相邻两条“S”曲线的距离L为5mm，“S”形圆弧半径R为8mm，用酒精擦拭干净表面，经激光熔凝处理后的镁合金金相组织图如图6所示；

（3）采用超声冲击沿激光束的熔凝路径，对激光熔凝区域进行强化处理，超声单针头直径为1mm，冲击电流为2A，振幅为10μm，冲击次数为2次，得到高温拉伸性能改善的镁合金，其金相组织图如图7所示。

从图5、图6和图7的对比可以看出，激光熔凝后的超声冲击进一步细化了激光处理区域的晶粒尺寸。

经超声冲击处理后，处理区域的硬度较激光熔凝处理和未处理时分别提高22.5%和110.5%，超声冲击处理后激光熔凝处理表层为残余压应力。

高温拉伸实验结果显示：200℃时激光熔凝+超声冲击复合局部强化试样与未处理试样相比，抗拉强度提高102.2%，屈服强度提高88.76%，延伸率下降9.57%；300℃时抗拉强度提高58.23%，屈服强度提高53.1%，延伸率下降9.37%；400℃时抗拉强度提高25.61%，屈服强度提高20.1%，延伸率下降17.37%。

实施例2

本实施例的激光熔凝和超声冲击局部强化镁合金高温拉伸性能的方法按照以下步骤进行：

（1）用砂纸打磨镁合金表面，用酒精进行表面清洗后对镁合金表面进行黑化处理，在镁合金表面刷涂黑化涂料；

（2）采用激光束对镁合金表面进行局部熔凝处理，处理区域深度H为0.8mm，宽度D为1.5mm，激光功率为600W，离焦量为-6mm，脉冲宽度为7ms，电流为95mA，频率为3Hz，扫描速度为1mm/s，激光束在镁合金表面形成如图3所示的若干个正五边形的熔凝路径，正五边形内切圆半径为R为5mm，用酒精擦拭干净表面；

（3）采用超声冲击沿激光束的熔凝路径，对激光熔凝区域进行强化处理，超声单针头直径为1.5mm，冲击电流为2A，振幅为20μm，冲击次数为2次，得到高温拉伸性能改善的镁合金。

超声冲击处理后处理区域的硬度较激光熔凝处理和未处理时分别提高28%和120%，超声冲击处理后激光熔凝处理表层为残余压应力。

高温拉伸实验结果显示：200℃时激光熔凝+超声冲击复合局部强化试样与未处理试样相比，抗拉强度提高108.5%，屈服强度提高90.63%，延伸率下降10.07%；300℃时抗拉强度提高60.1%，屈服强度提高55.2%，延伸率下降11. 7%；400℃时抗拉强度提高26.7%，屈服强度提高21.5%，延伸率下降19.37%。

实施例3

本实施例的激光熔凝和超声冲击局部强化镁合金高温拉伸性能的方法按照以下步骤进行：

（1）用砂纸打磨镁合金表面，用酒精进行表面清洗后对镁合金表面进行黑化处理，在镁合金表面刷涂黑化涂料；

（2）采用激光束对镁合金表面进行局部熔凝处理，处理区域深度H为0.6mm，宽度D为1.2mm，激光功率为600W，离焦量为+5mm，脉冲宽度为8ms，电流为70mA，频率为4Hz，扫描速度为1.5mm/s，激光束在镁合金表面形成如图4所示的若干个正六边形的熔凝路径，正六边形内切圆半径为R为4mm，用酒精擦拭干净表面；

（3）采用超声冲击沿激光束的熔凝路径，对激光熔凝区域进行强化处理，超声单针头直径为1.2mm，冲击电流为2A，振幅为8μm，冲击次数为2次，得到高温拉伸性能改善的镁合金。

超声冲击处理后处理区域的硬度较激光熔凝处理和未处理时分别提高21.5%和108.5%，超声冲击处理后激光熔凝处理表层为残余压应力。

高温拉伸实验结果显示：200℃时激光熔凝+超声冲击复合局部强化试样与未处理试样相比，抗拉强度提高98.7%，屈服强度提高87.81%，延伸率下降11.2%；300℃时抗拉强度提高55.8%，屈服强度提高50.7%，延伸率下降12. 7%；400℃时抗拉强度提高18.26%，屈服强度提高19.17%，延伸率下降21.49%。

以上实施例举例说明，其它实施方式不再一一赘述。

经过上述测试可知，与其他方法相比，本发明通过首先通过激光束在镁合金表面加工不同的表面形状，再通过超声冲击沿激光加工路径进行二次处理，可以达到进一步细化处理区域晶粒尺寸的效果，同时可以消除激光熔凝处理产生残余拉应力，可有效提高镁合金材料的高温拉伸性能，延长镁合金部件高温服役寿命。另外，本发明生产工艺简单，生产成本低，绿色环保。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。