AZ31B镁合金脉冲激光加工行为的研究

论文摘要

基于轻质高强和矿产资源优势,镁合金材料成为“陆、海、空、天”交通运载装备等领域的重要优势材料,被誉为“21世纪最具发展潜力和应用前景的绿色结构材料”。镁合金材料化学活性高、熔点低、导热快、热膨胀系数大等特点,使得其热加工性能较差,成为制约镁合金材料广泛应用的瓶颈。与传统热加工方法相比,激光加工具有能量密度大、加工效率高、工艺流程短、能源消耗低、绿色加工与柔性制造等特点,被称为“未来制造系统共同的加工手段”。而以高能量高频率的优势,脉冲激光成为镁合金材料热加工的一个重要途径,将有利于拓展镁合金材料的应用领域。因此,研究镁合金材料脉冲激光加工行为,将具有重要的理论意义和应用价值。针对镁合金材料吸光率低、产热少、散热快的特点,本课题与相关研究单位合作,设计研制了高能量高频率的固体Nd:YAG脉冲激光器及其加工装备。系统研究了脉冲激光作用下AZ31B镁合金材料切割、焊接、熔凝及熔覆等加工行为,并在此基础上,探索了激光加热·液氮深冷极端冷却条件下镁合金材料表面纳米化和非晶化行为。本研究取得以下结论：设计并研制成功一台单泵浦腔平均功率大于500W的固体Nd:YAG脉冲激光器。激光光束波长1.064μm,频率1-2000Hz可调,峰值功率9200W,单脉冲能量83.8J；光束参数乘积Kf为16.5mm·mrad,聚焦光斑理论直径最小可达12.7μm；并制造了与该激光器相适应的数控加工系统。探索了镁合金材料脉冲激光切割机理、切割质量影响因素和切割断面微观组织结构。研究表明：在脉冲激光作用下,镁合金材料微区熔化、气化、燃烧以及气流力的协调“挖掘”机制,使得镁合金激光切割成为可能。单脉冲能量、峰值功率、脉冲频率、脉冲宽度、离焦量和气体种类是切割质量的主要影响因素。重熔层与母材交界处没有发现明显的热影响区,这是由于脉冲激光快速加热和快速冷却的特点所致。在优化参数情况下,切割厚度可达到6mm以上。研究了镁合金材料拘束作用下脉冲激光焊接冶金微观组织和缺陷产生机理。结果表明,元素烧损、蒸发、飞溅、裂纹、气孔、夹杂是存在的主要问题。裂纹形式主要是结晶热裂纹,氢气孔是焊缝金属中主要的气孔形式。脉冲激光快热快冷可使焊接接头组织细化,平均晶粒尺寸从母材的10-30μm细化到3-10μm。晶粒细化和晶内弥散分布的细小颗粒状β-Mg17A112是焊缝金属显微硬度提高的主要原因,最大硬度值可达72HV0.05。细小晶粒对焊缝金属脆性断裂有所改善,断口局部显示出塑性断裂的形貌。采用脉冲激光对AZ31B镁合金材料表面进行熔凝试验。结果表明,熔凝层微观组织明显细化,晶粒尺寸约为2-10μm,并存在大量的胞状亚结构。TEM电镜观察发现大量纳米尺寸的β-Mg17All2相,且均匀弥散分布于胞状亚结构的内部。熔凝层显微硬度约为原始镁合金的2倍,腐蚀电位比原始镁合金正移了约106mV,这是由于晶粒细化、第二相粒子弥散强化、杂质元素固溶以及Al含量增加等综合作用的结果。利用脉冲激光在AZ3 1B镁合金材料表面成功制备了Al-Si和A12O3-TiO2复合陶瓷涂层。当A1203-TiO2陶瓷粉末的质量分数小于15%时,具有良好的熔覆工艺性能。复合涂层与基体结合区成份过渡平缓,达到了良好的冶金结合。复合涂层中陶瓷颗粒大多以“质点”形式镶嵌,同时有Mg2Si和镁铝金属间化合物生成,局部区域还发现有未熔的陶瓷颗粒。复合涂层的平均显微硬度达到225HV0.05,约是单一Al-Si涂层的1.5倍,其强化机制为细晶强化、固溶强化及弥散强化。复合涂层的摩擦磨损机制以磨粒磨损为主,氧化磨损和粘着磨损为辅。电化学腐蚀结果表明,复合涂层的抗腐蚀性都得到了改善,其原因是由于陶瓷颗粒和生成的镁铝金属间化合物提高整个复合涂层的腐蚀电位,同时晶粒细化也降低了电偶腐蚀的有效阴阳极面积。在以上研究的基础上,提出了激光加热·液氮冷却的极端快速熔凝的方法,在镁合金表面成功获得了纳米晶和非晶的混合组织,从材料凝固特性及晶体生长热力学方面探讨了纳米晶和非晶的形成机理。液氮冷却改性层显微硬度最高达148HV0.05,约为基体的3倍。电化学腐蚀试验结果表明：液氮冷却改性层的腐蚀电位为-1439mV,比空气冷却熔凝层正移了26mV,比原始镁合金正移了124mV,这是固溶度增大、非晶组织形成以及晶粒细化等综合作用的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 镁及镁合金
• 1.2.1 镁的物理化学性质
• 1.2.2 镁合金材料的性能与特点
• 1.3 国内外激光器的发展状况
• 1.4 激光在金属材料加工领域的应用现状
• 1.4.1 黑色金属激光加工
• 1.4.2 有色金属激光加工
• 1.5 镁合金激光加工的研究现状与趋势
• 1.5.1 镁合金激光焊接
• 1.5.2 镁合金表面激光熔凝
• 1.5.3 镁合金表面激光合金化
• 1.5.4 镁合金表面激光熔覆
• 1.5.5 镁合金激光加工中存在的主要问题
• 1.6 研究目的、主要内容和技术路线
• 参考文献
• 第二章 固体Nd:YAG脉冲激光加工系统的研制
• 2.1 引言
• 2.2 固体Nd:YAG脉冲激光器的设计原理
• 2.2.1 激光器晶体能级结构
• 2.2.2 Nd:YAG晶体特性
• 2.2.3 Nd:YAG四能级速率方程理论
• 2.2.4 激光器阈值条件与输出功率
• 2.3 脉冲Nd:YAG激光器主要部件设计及研制
• 2.3.1 晶体棒和泵浦灯优化选择
• 2.3.2 谐振腔与泵浦腔结构设计
• 2.3.3 激光光路系统的设计
• 2.3.4 冷却系统的设计
• 2.3.5 扩束系统的设计及对输出功率的影响
• 2.3.6 激光器箱体设计制造及运动仿真模拟
• 2.3.7 激光器的集成
• 2.4 固体Nd:YAG脉冲激光器性能测试
• 2.4.1 激光器功率的测试
• 2.4.2 激光器能量转换效率的测定
• 2.4.3 激光光束质量评价
• 2.4.4 激光器的技术指标
• 2.5 数控激光加工系统的集成及其技术参数
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 AZ31B镁合金脉冲激光切割机理及组织行为研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 材料选择
• 3.2.2 切割工艺方法
• 3.3 镁合金脉冲激光切割工艺性研究
• 3.3.1 临界切割厚度的能量参数
• 3.3.2 能量参数对切割质量的影响
• 3.3.3 其它参数对切割质量的影响
• 3.4 不同辅助气体下镁合金切割性能的对比研究
• 3.4.1 切缝宏观形貌
• 3.4.2 切缝断面形貌
• 3.4.3 切缝横截面微观组织观察
• 3.4.4 显微硬度分析
• 3.5 镁合金脉冲激光切割机理及模型建立
• 3.5.1 镁合金脉冲激光切割的充要性分析
• 3.5.2 脉冲激光加热模型
• 3.5.3 脉冲激光切割的机制
• 3.5.4 脉冲激光切割的原理
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 AZ31B镁合金脉冲激光焊接冶金行为的研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验方法及过程
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验方法
• 4.3 镁合金焊接冶金原理及微观组织观察
• 4.3.1 焊接冶金原理分析
• 4.3.2 焊接接头微观组织观察
• 4.3.3 显微硬度分析
• 4.4 焊接冶金主要缺陷及产生机理
• 4.4.1 裂纹
• 4.4.2 孔穴
• 4.4.3 夹杂
• 4.5 焊缝断裂行为分析
• 4.5.1 微小力学拉伸性能
• 4.5.2 焊缝断口分析
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 AZ31B镁合金表面脉冲激光熔凝行为的研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验材料及方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 试验方法
• 5.2.3 试样微观结构及性能表征方法
• 5.3 熔凝层微观组织结构分析
• 5.3.1 显微组织分析
• 5.3.2 物相分析
• 5.3.3 微观结构TEM观察
• 5.4 熔凝层性能分析
• 5.4.1 显微硬度分析
• 5.4.2 磨损行为分析
• 5.4.3 腐蚀行为分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 2O₃-TiO₂复合涂层行为的研究'>第六章 AZ31B镁合金表面激光熔覆Al-Si/Al₂O₃-TiO₂复合涂层行为的研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验材料及方法
• 6.2.1 基体材料
• 6.2.2 熔覆材料的选择
• 6.2.3 试验方法
• 6.3 复合涂层微观组织结构分析
• 6.3.1 物相分析
• 6.3.2 界面微观结构表征及成分分析
• 6.3.3 复合涂层微观组织结构及成分分析
• 6.4 熔覆层性能分析
• 6.4.1 显微硬度分析
• 6.4.2 磨损行为分析
• 6.4.3 电化学腐蚀行为
• 6.5 激光熔池的对流特征及影响因素
• 6.5.1 激光熔池的对流机制
• 6.5.2 激光熔池的对流影响因素
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 极端冷却下镁合金表面激光纳米化和非晶化的探索
• 7.1 引言
• 7.2 试验过程及方法
• 7.2.1 试验材料
• 7.2.2 试验方法
• 7.3 改性层的微观组织结构分析
• 7.3.1 改性层的显微组织分析
• 7.3.2 改性层的物相分析
• 7.3.3 改性层的TEM观察
• 7.4 改性层的性能分析
• 7.4.1 显微硬度分析
• 7.4.2 磨损性能分析
• 7.4.3 电化学腐蚀性能分析
• 7.4.4 激光纳米化或非晶化机理探讨
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文及科研成果
• 博士学位论文独创性说明及改进建议