一种短脉冲激光提高镁合金表面耐腐蚀性的方法与流程

本发明涉及一种短脉冲激光提高镁合金表面耐腐蚀性的方法。可将该方法广泛应用于镁合金材料的表面处理，利用激光重熔处理快速获得更佳耐腐蚀性的金属表面。

背景技术：

镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、易于加工、资源丰富等优点,在汽车、电子及航空航天等领域具有广阔的应用前景。但是,镁合金的电极电位低,容易腐蚀,耐腐蚀性差是阻碍镁合金推广应用的主要瓶颈之一。目前尚未找到有效提高镁合金耐腐蚀性能的合金化方法,改善其耐蚀性主要采用化学转化膜、阳极氧化、电镀、微弧氧化、热喷涂等表面处理技术。化学转化膜常使用的化学处理液中含有六价铬等对人体有害且污染环境的元素，镁合金的无铬化学转化膜工艺仍处于研究阶段。阳极氧化工艺过程水、电的消耗极大，同时硫酸及其它液体有机溶剂对水及大气有较大污染。电镀因为镁电极电位很低，前处理方法的要求极高，并且镀液中含有重金属，影响镁合金的回收利用，增加了回收的难度与成本。微弧氧化装置电压要求较高，操作时要做好安全保护措施；以及电解液温度上升较快，需配备较大容量的制冷和热交换设备。热喷涂工艺中涂层与基体的结合主要是物理机械结合，结合强度不高，同时喷雾飞散会造成涂料利用率下降和粉尘等问题。

而激光重熔处理作为一种日益成熟的新型表面处理技术,具有操作灵活、无污染、可有选择性地对零件局部表面进行改性等特点,这项工艺内在本质是激光扫描过程的热效应引起材料表层重熔。在激光重熔过程中，熔融金属中组成成分因沸点不同而选择性蒸发，造成镁合金中其他元素相对含量提高，并且材料在激光加工过程中表层温度骤升骤降，金属材料凝固后晶粒组织得到细化，合金的成分偏析也得到减小，由此提高了镁合金表面的耐腐蚀性能。此外得益于激光的高可控性，通过精确调整激光输出参数，激光重熔工艺可以适应不同的镁合金材料加工以及控制工艺引起的材料性质变化。但是现有的激光重融处理技术，对重熔层金属外的基体材料热影响大，影响金属基体性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种短脉冲激光提高镁合金表面耐腐蚀性的方法。该方法可广泛应用于各类镁合金零件的表面处理，使零件获得更好的耐腐蚀性能特点。

本发明一种短脉冲激光提高镁合金表面耐腐蚀性的方法，其流程如图1所示，主要包括以下步骤：

(1)对镁合金材料进行砂纸打磨去除氧化层，后进行丙酮清洗去油。

(2)将步骤(1)清洗后的镁合金材料置于纳秒激光加工系统的工作台上，设定激光参数，启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在镁合金材料表面上以一定速度扫射，最终在表面获得重熔层；

(3)对加工后的金属材料进行简单清洁。

其中，步骤(2)中设定的激光参数为：激光波长为193nm～1070nm，激光脉宽为50ns～100μs，激光功率为10w～500w，激光脉冲频率为1khz～1mhz，光斑扫描重叠率为20％-80％；

其中，步骤(2)中利用振镜扫描使激光在镁合金材料表面以一定速度扫射，其速度为20mm/s～3m/s。

本发明公开的一种短脉冲激光提高镁合金表面耐腐蚀性的方法，开辟了一种新的提高金属表面耐腐蚀性方法，利用激光使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度而熔化，随后借助于冷态金属基体的吸热和传导作用，使已熔化的极薄表层金属快速凝固，产生新的表面层。相比于现有相对于化学转化膜、阳极氧化、电镀、微弧氧化、热喷涂等传统表面处理工艺和现有的激光重熔工艺，本发明的优点在于：

(1)：该方法利用激光直写系统，可以通过改变激光参数如频率、扫描速度、功率对金属表面熔凝深度、面积等进行精确控制，能得到加工精度和加工范围远大于现有的强化工艺。

(2)：该方法利用激光直写系统，加工处理基于材料熔化及凝固，不需要额外添加化学试剂，绿色环保，被处理材料本身不发生化学变化，可应用于多种金属材料。

(3)：该方法可以实现加工区域的任意设定，相比于化学转化膜、阳极氧化、电镀、微弧氧化、热喷涂等等整体加工工艺更加灵活。

(4)：该方法加工速度更快，有望在实际生产中提高生产效率。

(5)：相对于现有的激光重熔方法，本发明使用较小功率的短脉冲激光，对重熔层金属外的基体材料热影响很小，有助于保持金属基体性能不变。

附图说明：

图1所示为本发明方法流程图。

图2所示为本发明实施例所应用的激光加工系统示意图。

图3所示为实施例1激光加工后镁合金表面纵截面。

图4所示为实施例1激光加工前后镁合金电化学测试结果。

图5所示为实施例2激光加工前后镁合金电化学测试结果。

图6所示为实施例3激光加工前后镁合金电化学测试结果。

图中标号如下：

1、激光器2、x振镜3、y振镜4、计算机

5、聚焦镜6、保护气7、工作台

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

本发明“一种短脉冲激光提高镁合金表面耐腐蚀性的方法”的流程如图1所示，主要包括以下步骤：

(1)对镁合金材料依次进行砂纸打磨去除氧化层，后进行丙酮清洗去油。

(2)将步骤(1)清洗后的镁合金材料置于纳秒激光加工系统的工作台上，设定激光参数，启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在镁合金材料表面上以一定速度扫射，最终在表面获得重熔层；

(3)对加工后的金属材料进行简单清洁。

其中，步骤(2)中设定的激光参数为：激光波长为193nm～1070nm，激光脉宽为50ns～100μs，激光功率为10w～500w，激光脉冲频率为1khz～1mhz；

其中，步骤(2)中利用振镜扫描使激光在镁合金材料表面以一定速度扫射，其速度为20mm/s～3m/s，光斑扫描重叠率为20％～80％。

本发明实施例所应用的设备为spi公司的纳秒激光加工系统，其包括：激光器1、x振镜2、y振镜3、计算机4、聚焦镜5、保护气6及工作台。如图2所示。

实施例1：

(1)取5mm厚度的mg-gd-ca镁合金块，用砂纸打磨去除加工表面的氧化膜，置于无水丙酮中清洗。

(2)将样品置于如图2所示的spi公司的纳秒激光加工系统(使用1060nm波长的co2激光器)的工作台上，设置激光功率为70w，频率为500khz，扫描速度为200mm/s，设置扫描区域大小为10mm×10mm，调整光斑重合率至20％，启动激光加工系统开始加工。

(3)从工作台上取下加工后镁合金块，用无水酒精擦拭清理。

如图3所示为实施例1加工后所得mg-gd-ca镁合金近表面的纵截面金相，由图所示，经短脉冲激光处理后金属表面有厚度约20μm的重熔层，重熔层显示出了于基体不同的金相形态。如图4所示为实施例1加工后所得mg-gd-ca镁合金与未处理样品的电极极化曲线，由图所示，重熔后合金自腐蚀电位相对于未处理样品有所提高，耐腐蚀性能有所提升。

实施例2：

(1)取5mm厚度的mg-gd-ca镁合金块，砂纸打磨去除加工表面的氧化膜，置于无水丙酮中清洗。

(2)将样品置于如图2所示的spi公司的纳秒激光加工系统(使用1060nm波长的co2激光器)的工作台上，设置激光功率为80w，频率为500khz，扫描速度为50mm/s，设置扫描区域大小为10mm×10mm，光斑重合率调至40％，启动激光加工系统开始加工。

(3)从工作台上取下加工后镁合金块，用无水酒精擦拭清理。

如图5所示为实施例2加工后所得mg-gd-ca镁合金与未处理样品的电极极化曲线，由图所示，重熔后合金自腐蚀电位相对于未处理样品有所提高，耐腐蚀性能有所提升。

实施例3：

(1)取5mm厚度的zk60镁合金块，砂纸打磨去除加工表面的氧化膜，置于无水丙酮中清洗。

(2)将样品置于如图2所示的spi公司的纳秒激光加工系统(使用1060nm波长的co2激光器)的工作台上，设置激光功率为120w，频率为20khz，扫描速度为50mm/s，设置扫描区域大小为10mm×10mm，光斑重合率调至50％，启动激光加工系统开始加工。

(3)从工作台上取下加工后镁合金块，用无水酒精擦拭清理。

如图6所示为实施例3加工后所得zk60镁合金与未处理样品的电极极化曲线，由图所示，重熔后合金自腐蚀电位相对于未处理样品有所提高，耐腐蚀性能有所提升。

实施例4：

(1)取5mm厚度的zk60镁合金块，砂纸打磨去除加工表面的氧化膜，置于无水丙酮中清洗。

(2)将样品置于如图2所示的spi公司的纳秒激光加工系统(使用1060nm波长的co2激光器)的工作台上，设置激光功率为150w，频率为800khz，扫描速度为500mm/s，设置扫描区域大小为10mm×10mm，光斑重合率调至60％，启动激光加工系统开始加工。

(3)从工作台上取下加工后镁合金块，用无水酒精擦拭清理。

实施例5：

(1)取5mm厚度的az31镁合金块，砂纸打磨去除加工表面的氧化膜，置于无水丙酮中清洗。

(2)将样品置于如图2所示的spi公司的纳秒激光加工系统(使用1060nm波长的co2激光器)的工作台上，设置激光功率为70w，频率为100khz，扫描速度为20mm/s，设置扫描区域大小为10mm×10mm，光斑重合率调至20％，启动激光加工系统开始加工。

(3)从工作台上取下加工后镁合金块，用无水酒精擦拭清理。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。