激光冲击处理诱导AZ91D镁合金表面纳米化

黄晶晶 苏州建设交通高等职业技术学校

一、引言

AZ91D镁合金具有较好的铸造性能，令人满意的耐腐蚀性和良好的机械性能，因此被广泛使用。激光冲击加工（LSP）是一种新的表面增强技术，它利用大功率短激光脉冲产生的高强度冲击波[1]来有效改善金属材料的力学性能，例如强度，硬度和耐腐蚀性，尤其是疲劳断裂耐蚀性。与传统的喷丸处理和表面合金化等处理相比，LSP具有明显的技术优势。本研究的目的是通过LSP揭示表面纳米晶化对AZ91D镁合金表面形貌，显微硬度和组织的影响，并为更好地理解和控制镁合金的可用性提供一种参考方法。

二、实验过程

LSP之前，将AZ91D镁合金试样用具有不同粗糙度等级（400至1600）的SiC砂纸处理，然后在乙醇中用超声波清洗剂清洗。在LSP过程中，将厚度为2mm的水用作限制层，而吸收层为厚度为0.12mm的铝箔。在LSP实验中使用了Q开关Nd：YAG激光器，其重复频率为5Hz，波长为1064nm。激光光斑直径为3mm，激光光斑重叠率为50%。激光能量分别为3J，5J和7J。

三、结果分析

（一）AZ91D镁合金的微观结构

AZ91D镁合金由Mg基体（α-Mg）和第二β相（Mg17Al12）组成。LSP处理后，AZ91D镁合金变形层的微观结构沿深度呈梯度变化，这与其他表面自纳米技术获得的表面纳米晶层的变化相对应。由于LSP引起的小塑性变形，靠近基体的区域由高密度位错缠结和部分孪晶组成。随着塑性变形程度的增加，中间区域由高密度位错缠结，位错单元和沿短轴方向尺寸为100～300nm的板条亚结构组成。由于LSP的高能量，在样品表面上产生了纳米晶体。随着表面深度的增加，激光能量的影响减小。然后在几乎没有影响的区域中出现了位错。标本的表面由等轴纳米晶体组成，具有清晰的边界和随机取向。平均粒径为50～80nm。机械缠绕仅在初始变形中起协调作用，这是由应力集中引起的。然后，位错单元和位错缠结形成了细晶粒和亚晶粒的网络。具有小角度和方向的亚晶粒边界将粗晶粒划分为亚晶粒，并通过位错缠结进行了转换。最终，纳米晶在具有等轴形状和随机取向的亚晶界之后形成，并继续吸收新的位错，成为大角度晶界[2]。

（二）表面形貌和粗糙度

没有经过LSP的微观表面非常光滑，与LSP处理过的表面不同。LSP处理后，波峰和波谷高度大大增加（从-7μm到11μm）。显然，LSP改变了AZ91D镁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镁合金表面冲击压力的不均匀分布。此外，它与材料的结构和质地有关。通常，AZ91D镁合金的织构不均匀。原始AZ91D镁合金的显微组织主要由Mg基体（α-Mg）和第二β相（Mg17Al12）组成。与基体相比，β相坚硬易碎。然后，变形程度不一致。

（三）微观硬度

没有经过LSP的显微硬度随深度的变化很小，而具有LSP的显微硬度随深度的增加而急剧下降，并趋于与基体的显微硬度处于同一水平。该结果归因于具有高功率密度的短激光脉冲在材料表面上引起的压应力。通过激光冲击处理，将吸收层加热至非常高的温度，并诱导出具有高压和高温的等离子体。随着等离子体的爆炸，产生了冲击波并传播到材料内部。该冲击波处于GPa水平，可在表面变形。变形和表层的微观结构发生变化后，深层会产生残余应力。在高水平的冲击波作用下，可以驱使位错移动，甚至将晶粒细化为纳米晶体。由于这种综合效应，材料得到了加强。根据Hall-Petch公式[3]，晶粒尺寸越小，硬度越高。较高的显微硬度可归因于晶粒细化，LSP引起的剧烈变形。另外，随着从LSP表面开始的深度增加，显微硬度的降低可以通过变形的减少和晶粒尺寸的增加来解释。

（四）微观结构在宏观性能上的表现

激光冲击处理已经能够增加材料的硬度。高强度冲击波引起位错运动，导致位错密度增加和晶粒细化，这可能导致硬度的变化。在滑移面上移动的高密度位错遇到了晶界到堆积的障碍[4]。当部分区域的位错密度达到一定程度时，所产生的应力会使相邻经历开始发生滑移。同时微观上的晶粒细化提高了宏观上的材料硬度。随着冲击波在材料内部衰减，位错密度也降低了。由于区分了晶粒的塑性变形，因此表面形貌互不相同。

四、结论

LSP被用于在AZ91D镁合金中甚至在纳米晶体中引起塑性变形和晶粒细化。随着激光能量的增加，表面形貌和粗糙度的变化越来越严重。能量为5J的样品比其他样品具有更好的表面显微硬度，与未处理的样品相比，其显著提高了86.2%。所以微观硬度发生变化主要由于材料内部的晶粒被细化的结果。而材料表面获得的纳米结构层则通过LSP诱导的内部微观位错滑移。