激光沖擊處理誘導AZ91D鎂合金表面納米化

黃晶晶 蘇州建設交通高等職業技術學校

一、引言

AZ91D鎂合金具有較好的鑄造性能，令人滿意的耐腐蝕性和良好的機械性能，因此被廣泛使用。激光沖擊加工（LSP）是一種新的表面增強技術，它利用大功率短激光脈沖產生的高強度沖擊波[1]來有效改善金屬材料的力學性能，例如強度，硬度和耐腐蝕性，尤其是疲勞斷裂耐蝕性。與傳統的噴丸處理和表面合金化等處理相比，LSP具有明顯的技術優勢。本研究的目的是通過LSP揭示表面納米晶化對AZ91D鎂合金表面形貌，顯微硬度和組織的影響，并為更好地理解和控制鎂合金的可用性提供一種參考方法。

二、實驗過程

LSP之前，將AZ91D鎂合金試樣用具有不同粗糙度等級（400至1600）的SiC砂紙處理，然后在乙醇中用超聲波清洗劑清洗。在LSP過程中，將厚度為2mm的水用作限制層，而吸收層為厚度為0.12mm的鋁箔。在LSP實驗中使用了Q開關Nd：YAG激光器，其重復頻率為5Hz，波長為1064nm。激光光斑直徑為3mm，激光光斑重疊率為50%。激光能量分別為3J，5J和7J。

三、結果分析

（一）AZ91D鎂合金的微觀結構

AZ91D鎂合金由Mg基體（α-Mg）和第二β相（Mg17Al12）組成。LSP處理后，AZ91D鎂合金變形層的微觀結構沿深度呈梯度變化，這與其他表面自納米技術獲得的表面納米晶層的變化相對應。由于LSP引起的小塑性變形，靠近基體的區域由高密度位錯纏結和部分孿晶組成。隨著塑性變形程度的增加，中間區域由高密度位錯纏結，位錯單元和沿短軸方向尺寸為100～300nm的板條亞結構組成。由于LSP的高能量，在樣品表面上產生了納米晶體。隨著表面深度的增加，激光能量的影響減小。然后在幾乎沒有影響的區域中出現了位錯。標本的表面由等軸納米晶體組成，具有清晰的邊界和隨機取向。平均粒徑為50～80nm。機械纏繞僅在初始變形中起協調作用，這是由應力集中引起的。然后，位錯單元和位錯纏結形成了細晶粒和亞晶粒的網絡。具有小角度和方向的亞晶粒邊界將粗晶粒劃分為亞晶粒，并通過位錯纏結進行了轉換。最終，納米晶在具有等軸形狀和隨機取向的亞晶界之后形成，并繼續吸收新的位錯，成為大角度晶界[2]。

（二）表面形貌和粗糙度

沒有經過LSP的微觀表面非常光滑，與LSP處理過的表面不同。LSP處理后，波峰和波谷高度大大增加（從-7μm到11μm）。顯然，LSP改變了AZ91D鎂合金的表面形貌和粗糙度。主要原因是由激光能量的高斯分布引起的AZ91D鎂合金表面沖擊壓力的不均勻分布。此外，它與材料的結構和質地有關。通常，AZ91D鎂合金的織構不均勻。原始AZ91D鎂合金的顯微組織主要由Mg基體（α-Mg）和第二β相（Mg17Al12）組成。與基體相比，β相堅硬易碎。然后，變形程度不一致。

（三）微觀硬度

沒有經過LSP的顯微硬度隨深度的變化很小，而具有LSP的顯微硬度隨深度的增加而急劇下降，并趨于與基體的顯微硬度處于同一水平。該結果歸因于具有高功率密度的短激光脈沖在材料表面上引起的壓應力。通過激光沖擊處理，將吸收層加熱至非常高的溫度，并誘導出具有高壓和高溫的等離子體。隨著等離子體的爆炸，產生了沖擊波并傳播到材料內部。該沖擊波處于GPa水平，可在表面變形。變形和表層的微觀結構發生變化后，深層會產生殘余應力。在高水平的沖擊波作用下，可以驅使位錯移動，甚至將晶粒細化為納米晶體。由于這種綜合效應，材料得到了加強。根據Hall-Petch公式[3]，晶粒尺寸越小，硬度越高。較高的顯微硬度可歸因于晶粒細化，LSP引起的劇烈變形。另外，隨著從LSP表面開始的深度增加，顯微硬度的降低可以通過變形的減少和晶粒尺寸的增加來解釋。

（四）微觀結構在宏觀性能上的表現

激光沖擊處理已經能夠增加材料的硬度。高強度沖擊波引起位錯運動，導致位錯密度增加和晶粒細化，這可能導致硬度的變化。在滑移面上移動的高密度位錯遇到了晶界到堆積的障礙[4]。當部分區域的位錯密度達到一定程度時，所產生的應力會使相鄰經歷開始發生滑移。同時微觀上的晶粒細化提高了宏觀上的材料硬度。隨著沖擊波在材料內部衰減，位錯密度也降低了。由于區分了晶粒的塑性變形，因此表面形貌互不相同。

四、結論

LSP被用于在AZ91D鎂合金中甚至在納米晶體中引起塑性變形和晶粒細化。隨著激光能量的增加，表面形貌和粗糙度的變化越來越嚴重。能量為5J的樣品比其他樣品具有更好的表面顯微硬度，與未處理的樣品相比，其顯著提高了86.2%。所以微觀硬度發生變化主要由于材料內部的晶粒被細化的結果。而材料表面獲得的納米結構層則通過LSP誘導的內部微觀位錯滑移。