激光沖擊處理誘導(dǎo)AZ91D鎂合金表面納米化

黃晶晶 蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jī)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(qiáng)技術(shù)，它利用大功率短激光脈沖產(chǎn)生的高強(qiáng)度沖擊波[1]來(lái)有效改善金屬材料的力學(xué)性能，例如強(qiáng)度，硬度和耐腐蝕性，尤其是疲勞斷裂耐蝕性。與傳統(tǒng)的噴丸處理和表面合金化等處理相比，LSP具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本研究的目的是通過(guò)LSP揭示表面納米晶化對(duì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程

LSP之前，將AZ91D鎂合金試樣用具有不同粗糙度等級(jí)（400至1600）的SiC砂紙?zhí)幚恚缓笤谝掖贾杏贸暡ㄇ逑磩┣逑础Ｔ贚SP過(guò)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(shí)驗(yàn)中使用了Q開關(guān)Nd：YAG激光器，其重復(fù)頻率為5Hz，波長(zhǎng)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(jié)果分析

（一）AZ91D鎂合金的微觀結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)沿深度呈梯度變化，這與其他表面自納米技術(shù)獲得的表面納米晶層的變化相對(duì)應(yīng)。由于LSP引起的小塑性變形，靠近基體的區(qū)域由高密度位錯(cuò)纏結(jié)和部分孿晶組成。隨著塑性變形程度的增加，中間區(qū)域由高密度位錯(cuò)纏結(jié)，位錯(cuò)單元和沿短軸方向尺寸為100～300nm的板條亞結(jié)構(gòu)組成。由于LSP的高能量，在樣品表面上產(chǎn)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(qū)域中出現(xiàn)了位錯(cuò)。標(biāo)本的表面由等軸納米晶體組成，具有清晰的邊界和隨機(jī)取向。平均粒徑為50～80nm。機(jī)械纏繞僅在初始變形中起協(xié)調(diào)作用，這是由應(yīng)力集中引起的。然后，位錯(cuò)單元和位錯(cuò)纏結(jié)形成了細(xì)晶粒和亞晶粒的網(wǎng)絡(luò)。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(guò)位錯(cuò)纏結(jié)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。最終，納米晶在具有等軸形狀和隨機(jī)取向的亞晶界之后形成，并繼續(xù)吸收新的位錯(cuò)，成為大角度晶界[2]。

（二）表面形貌和粗糙度

沒有經(jīng)過(guò)LSP的微觀表面非常光滑，與LSP處理過(guò)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(jié)構(gòu)和質(zhì)地有關(guān)。通常，AZ91D鎂合金的織構(gòu)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(jiān)硬易碎。然后，變形程度不一致。

（三）微觀硬度

沒有經(jīng)過(guò)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(jié)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(yīng)力。通過(guò)激光沖擊處理，將吸收層加熱至非常高的溫度，并誘導(dǎo)出具有高壓和高溫的等離子體。隨著等離子體的爆炸，產(chǎn)生了沖擊波并傳播到材料內(nèi)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(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，深層會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在高水平的沖擊波作用下，可以驅(qū)使位錯(cuò)移動(dòng)，甚至將晶粒細(xì)化為納米晶體。由于這種綜合效應(yīng)，材料得到了加強(qiáng)。根據(jù)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(xì)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(guò)變形的減少和晶粒尺寸的增加來(lái)解釋。

（四）微觀結(jié)構(gòu)在宏觀性能上的表現(xiàn)

激光沖擊處理已經(jīng)能夠增加材料的硬度。高強(qiáng)度沖擊波引起位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致位錯(cuò)密度增加和晶粒細(xì)化，這可能導(dǎo)致硬度的變化。在滑移面上移動(dòng)的高密度位錯(cuò)遇到了晶界到堆積的障礙[4]。當(dāng)部分區(qū)域的位錯(cuò)密度達(dá)到一定程度時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使相鄰經(jīng)歷開始發(fā)生滑移。同時(shí)微觀上的晶粒細(xì)化提高了宏觀上的材料硬度。隨著沖擊波在材料內(nèi)部衰減，位錯(cuò)密度也降低了。由于區(qū)分了晶粒的塑性變形，因此表面形貌互不相同。

四、結(jié)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(xì)化。隨著激光能量的增加，表面形貌和粗糙度的變化越來(lái)越嚴(yán)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(fā)生變化主要由于材料內(nèi)部的晶粒被細(xì)化的結(jié)果。而材料表面獲得的納米結(jié)構(gòu)層則通過(guò)LSP誘導(dǎo)的內(nèi)部微觀位錯(cuò)滑移。