专利名称：基于激光冲击强化技术提高镁合金耐腐蚀性的方法
技术领域：
本发明涉及材料表面改性与激光冲击强化技术领域，特指一种激光冲击强化处理技术与提高镁合金表面抗腐蚀能力的方法。
背景技术：
镁合金是目前工业应用的最轻的金属结构材料之一，密度仅为1.3×103～1.9×103kg/m3不等，约为铝的2/3，铁的1/4，正是这一特性使其成为航空航天业、汽车工业和电子通讯业中首选的替代产品，以实现减重的目的。镁合金还具有高的比强度、比刚度以及良好的铸造、焊接、阻尼减震、切削加工和尺寸稳定性等，再加上镁资源丰富，镁合金产品可回收再利用等特点，使得镁合金有望得到长远的发展，预计将成为21世纪重要的商用轻质材料。但是，镁在所有结构金属中具有最低电位；此外，镁的氧化膜疏松，不像氧化铝膜那样致密而有保护性，所以镁合金的耐蚀性能较差。镁合金作为结构材料应用的潜力和现实之间存在着很大差距，这与镁合金耐蚀性有着直接的关系，差的耐蚀性已成为制约镁合金潜能发挥的瓶颈。加强镁合金耐蚀性的研究，积极探索增强镁合金耐蚀性的途径，对于推动镁合金作为结构件的应用并充分发挥其性能优势有着重要的意义。
目前提高镁合金耐蚀性能的方法主要有(1)提高镁合金的纯度，将镁合金中危害其耐蚀性的杂质元素的含量降到临界值以下；(2)在镁合金中加入新的元素，以改善镁合金的微观组织来提高镁合金的耐蚀性能；(3)采用快速凝固方法，使镁合金由液相到固相的冷却速度相当快(大于105K/s)，以改善镁合金的微观结构提高镁合金的耐蚀性能；(4)采用表面处理技术提高其耐蚀性，主要包括化学转化处理，阳极氧化处理，金属镀层，激光表面改性，有机涂层等。
激光表面改性技术具有对基体热影响小和易于实现自动化的优点，目前可查阅的国内外文献、专利中，见报道的激光表面改性技术主要是利用了激光的热效应，而采用基于力效应的激光冲击强化处理技术提高镁合金表面耐腐蚀性的方法未见报道。如美国专利US4613386，“Method of making corrosion resistantmagnesium and aluminum oxyalloys”，该方法首先在镁合金表面沉积一层不超过1.5mm厚的铝、硅、钛、锰、锆等合金元素，然后在有氧环境下用高能脉冲激光辐照表面，在镁合金表面形成一层耐腐蚀的合金氧化层。我国专利CN1629352“镁合金激光表面强化修复方法”，该方法使用脉冲激光或二氧化碳激光，在大气条件下，使用氩气(或氦气或氩气、氦气的混合气体)进行保护，对镁合金的疏松、气孔、裂纹、缩孔、腐蚀坑等缺陷以及缺肉、尺寸超差等进行强化修复。英国G.Abbas等人在文献“Corrosion behavior of laser-melted magnesium alloys”中研究了采用氩气作为保护气体，采用1.5kW连续CO2激光辐照镁合金AZ31、AZ61表面，光斑直径为2mm，扫描速度为160mm/s，扫描道间的搭接量为50％。该方法采用激光表面重熔技术，利用了激光热效应，使镁合金表面快速融化，随后在基体的自身热传导下使表面快速冷却，表面微观组织得到改善，在5％的NaCl溶液中浸泡腐蚀实验表明，经激光重熔后的镁合金表面的耐腐蚀性得到明显提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于力效应的激光冲击强化技术(LSP)来提高镁合金表面耐腐蚀能力的新技术。
激光冲击强化(Laser Shock Processing或Laser Shock Peening)简称LSP技术，是一种具有非常好前景的加工手段，其原理是高功率密度(GW/cm2级)短脉冲(ns级)激光作用于材料表面，表层材料吸收激光能量后产生等离子体，等离子体喷射爆炸形成强烈的冲击波。本发明在材料表面覆以约束介质和吸收涂层，大大增强了激光诱导的冲击波强度和作用时间，冲击波强度达到GPa量级，远远超过材料的动态屈服强度，在材料表层产生一个塑性变形层。塑性变形层内存在着残余压应力和高密度位错，这些因素使镁合金表面的耐腐蚀性能得到显著提高。
本发明将镁合金表面涂上能量吸收涂层，采用对激光透明的水或玻璃做约束层，采用激光的功率密度为GW/cm2量级，脉冲宽度为纳秒级，激光冲击工件表面，光斑间的面积搭接量＞72％。所述能量吸收涂层为专利02138338.3“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”所述的柔性贴膜。
将镁合金表面经激光冲击强化处理后的区域与未处理的区域进行中性盐雾腐蚀(NSS)对比试验，试验温度为35℃±1℃，盐雾喷液为化学纯NaCl和蒸馏水配置的5％的NaCl水溶液，pH＝6.5～7.2，盐雾沉降量为1～2ml/80cm2·h。试验结果表明，经激光冲击强化处理后的区域，其腐蚀坑开始出现的时间明显晚于未处理区域，经盐雾实验连续喷雾20小时后，激光冲击强化区的腐蚀坑的密度、尺寸明显小于未处理区域，未处理区域腐蚀坑的面积约占20％，而经激光强化处理后的区域的腐蚀坑的面积不足5％(见图2)。
本发明的优点如下(1)本方法在激光冲击处理前在镁合金表面涂以黑色能量吸收涂层，极大地提高了激光能量的利用率。如果将波长为1054nm的Nd玻璃激光直接辐照镁合金表面，镁合金表面对激光的吸收率约为4％，造成很大一部分激光能量的浪费，而表面吸收涂层基本能完全吸收激光能量，表面涂层充分吸收激光能量后，能产生更多等离子体，在材料内诱发压力更大、持续时间更长的激光冲击波，同时表面涂层可有效防止镁合金表面熔化和汽化，激光冲击强化处理后的表面没有烧伤痕迹。
(2)本方法在激光冲击时采用水或玻璃做约束层，不仅起到增大应力波峰压的作用，而且还使应力波的半高宽度增大一倍。激光冲击强化时采用约束层，可使涂层吸收激光能量后产生向外喷溅的等离子体受到约束，阻碍等离子体的膨胀，从而产生更高的冲击波压力。
(3)激光冲击产生的高幅度冲击波，冲击波强度高达Gpa量级，冲击强度远远超过材料的动态屈服强度，在材料表层造成一个塑性变形层，塑性层中存在着表面残余压应力和高密度位错，材料表层硬度也有明显增加，这不仅提高了镁合金的耐腐蚀性能，也提高了表面的耐磨性和材料的抗疲劳性能。
(4)本方法对镁合金基体无热损伤，由于激光脉冲短，只有几十纳秒，激光与金属表面作用时间短，且大部分激光能量被吸收涂层吸收，由于吸收层的热障保护，传到金属表面的热量很少，因此不会造成基体的热损伤。
(5)本方法可以对工件角落进行处理，由于激光光斑大小可调，且能精确控制和定位，所以能够对一些传统工艺不能处理的部位进行处理。
图1本发明的结构示意2激光冲击处理后的试样经20小时连续盐雾腐蚀后的表面宏观形貌3处理区都能受到激光辐照的光斑搭接图1.激光发生器控制系统2.脉冲激光发生器3.聚焦透镜4.约束层5.吸收涂层6.工件7.数控工作台8.数控工作台控制系统9.激光冲击处理后的区域经盐雾腐蚀后的形貌10.未处理区域经盐雾腐蚀后的形貌11.激光光斑具体实施方式
激光冲击镁合金的结构装置示意图见图1。将工件表面均匀涂上约100μm厚的黑漆吸收涂层，等涂层干了以后，将工件固定在数控工作台上，工作台的运动由工作台控制系统控制。激光器采用Nd玻璃激光器，波长1054nm，脉冲宽度20ns，光束直径1～20mm可调，激光脉冲能量1～50J/Pluse可调，通过激光器控制系统调整激光参数，将激光功率密度控制在GW/cm2量级。激光冲击处理时，采用水做约束层，对工件表面进行大面积冲击强化处理时，应将各光斑间的面积搭接量控制在73％以上，因为所用激光光斑为圆形，要使整个处理区都受到激光辐照，则光斑间应有一定的搭接量(见图3)，理论计算表明，其重叠面积应在73％以上，考虑到激光能量呈准高斯分布，光斑中心能量密度较大，而光斑边缘激光能量密度较小，实验表明，将各光斑间的面积搭接量控制在80％左右，激光冲击处理后的镁合金的耐腐蚀性能得到显著提高。
本实施例采用黑漆作为吸收涂层，黑漆成本低、效果好，且在激光冲击处理后容易去除。
本实施例采用水作为约束层，水对波长为1054nm的Nd玻璃激光透明，另外，采用水做约束层，便于在工业中推广应用。
权利要求
1.基于激光冲击强化技术提高镁合金耐腐蚀性的方法，其特征在于将镁合金表面涂上能量吸收涂层，采用水或玻璃做约束层，采用激光的功率密度为GW/cm2量级，脉冲宽度为纳秒级，激光冲击工件表面，光斑间的面积搭接量＞72％。
2.根据权利要求1所述的基于激光冲击强化技术提高镁合金耐腐蚀性的方法，其特征在于所述能量吸收涂层为专利02138338.3“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”所述的柔性贴膜。
3.根据权利要求1所述的基于激光冲击强化技术提高镁合金耐腐蚀性的方法，其特征在于各光斑间的面积搭接量约为80％。
全文摘要
本发明提供一种基于激光冲击强化技术(LSP)来提高镁合金表面耐腐蚀能力的新技术。将镁合金表面涂上能量吸收涂层，用对激光透明的水或玻璃等做约束层，采用高功率密度为GW/cm
文档编号C22F1/06GK1986841SQ20061009739
公开日2007年6月27日 申请日期2006年11月3日 优先权日2006年11月3日
发明者张永康, 陈菊芳, 许仁军 申请人:江苏大学