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激光加工对金属表面特性的影响
关键词:激光加工 金属
2021-07-12

激光加工引发了关于改善材料表面性能的大量研究活动。以前的研究人员发现,金属合金的表面性能,如耐磨性和耐腐蚀性,由于与激光加工相关的快速凝固后的精细显微结构和富集的合金元素而显著提高。

为了在实际工程应用中将激光技术应用于大型表面部件,通常需要使用扫描激光束多次通过重叠相邻迹线以产生区域覆盖。人们早就意识到,激光束重叠可能在影响激光处理材料的最终表面性能方面发挥重要作用。

然而,到目前为止,还没有集中精力研究激光束重叠对熔池中凝固微观结构演化动力学的影响。本研究的目的是研究重叠轨迹如何影响最佳扫描速度下激光熔化az91d镁合金的传热和液体流动、微观结构演变以及电化学行为。

所研究的材料是铸态az91d镁合金,其化学成分(wt%):al 8.97、zn 0.78、mn 0.31、si 0.023、cu 0.002、ni 0.0005,其余为镁。从铸锭中取出 20 毫米 x 30 毫米 x 3 毫米的试样,用逐渐变细的 sic 纸(180、400、800、1200、2400 和 4000 粒度)研磨,用酒精清洁,然后用 lumonics jk702 nd 照射:高纯氩气保护下的yag激光系统(波长为1064 nm)。固定的激光参数为功率密度3.82 × 10²*² w/cm²,扫描速度10mm/s,频率100hz,脉冲持续时间1 ms。激光加工过程中重叠率从25%到90%不等,如图1所示。该研究选取了四个标为e、f、g和h的试样,重叠率分别为25%、50%、75 % 和 90%。激光器在近 tem00 模式下运行,光束散焦至直径为 1毫米(两个后续轨道之间的距离约为 500 微米)。

激光表面熔化过程示意图

▲图1. 激光表面熔化过程示意图

激光熔化前后 az91d 镁合金表面显微组织演变的顶视图扫描电子显微图

▲图2. 激光熔化前后 az91d 镁合金表面显微组织演变的顶视图扫描电子显微图

透射电子显微镜显示 az91d 镁合金在激光熔化前后随着重叠率的增加而凝固组织:(a) 合金原样;(b) e; (c) f;(d) g. 来自这些颗粒之一的 sad 图案,表现出 β-mg17al12 结构

▲图3. 透射电子显微镜显示 az91d 镁合金在激光熔化前后随着重叠率的增加而凝固组织:(a) 合金原样;(b) e; (c) f;(d) g. 来自这些颗粒之一的 sad 图案,表现出 β-mg17al12 结构


通过检查az91d样品熔化后的横截面图,研究人员发现轨迹之间的重叠程度越大,凝固过程中产生的小裂纹数量就越少。在处理用于接触液体的金属时,应该考虑这一发现,比如那些将用于生物植入的金属。

此外,基于 eds 测量的化学成分定量分析发现,随着重叠率的增加,重叠区域的平均 al 浓度从 11.5 wt% 增加到 16.7 wt%,而平均 mg 浓度同时从 87.1 wt% 减少到 82.2 wt%。化学成分变化的原因是由于合金元素在激光加工过程中随着重叠率的增加而增强的选择性汽化。

辐照后 az91d 镁合金的横截面图,重叠率增加 (a) e (b) f (c) g 和 (d) h

▲图4. 辐照后 az91d 镁合金的横截面图,重叠率增加 (a) e (b) f (c) g 和 (d) h


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▲图5. 激光熔体 az91d 镁合金凝固组织截面图的扫描电子显微照片,重叠率增加:(a) e (b) f (c) g 和 (d) h。还显示了这些区域的高倍放大图像。


根据该团队的模型,更大程度的重叠提供了更多的热量,从而改善了熔融液体中金属的对流并产生了更均匀的表面。该团队的电化学测试还证实,材料表面越均匀,就越耐腐蚀。该团队的方法,尤其是理论模型,适用于评估其他合金和化合物的激光加工。由于表面结构不仅会影响机械和化学特性,还会影响电子、热和光学参数,因此这些发现将与用于各种应用的金属相关。





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