本發明屬于金屬材料高溫力學性能領域，特別涉及一種激光熔凝和超聲沖擊局部強化鎂合金高溫拉伸性能的方法。

背景技術：

鎂合金被譽為“21 世紀綠色工程金屬結構材料”，具有比重小、比強度高、比剛度高、導熱導電性好、切削加工性好、優良的阻尼性和電磁屏蔽性、易于回收等優點，可以滿足現在交通工具對輕量化、節能和環保的要求，符合可持續發展的原則。因此，鎂合金在航天航空、汽車、計算機、通信等行業已有廣泛的應用。

但當前，限制鎂合金應用的一個重要原因就是其耐熱性較差，強度受溫度限制，在150℃以上的工作環境下鎂合金強度會大幅度降低，難以用于高溫長時間使用的部件。目前，在航空航天器和汽車工業領域上鎂合金零部件的應用正由結構簡單件向結構復雜件跨越，這對鎂合金的高強度和耐熱性等提出了更高的要求。

目前，改善鎂合金強度和耐熱性的方法主要有：一是改善熱處理工藝，這種方法生產周期長在實際生產中具有一定程度的局限性，且改善鎂合金高溫力學性能效果不顯著；二是添加稀土元素，這種方法雖然可以有效改善鎂合金的高溫力學性能，但由于稀土元素價格昂貴，將導致生產成本增加，同時由于稀土元素的添加，會致使合金的凝固溫度降低，在鑄造和焊接后分別會產生縮孔和裂紋缺陷，因此無法實現在復雜鎂合金部件上的廣泛快速應用。因此，提供一種低成本且能有效提高鎂合金高溫力學性能的方法，以期改善鎂合金部件的高溫服役壽命已迫在眉睫。

激光局部處理技術已被證實可以提高金屬材料在常溫時的性能，但對金屬材料的高溫力學性能涉及較少。發明專利一種仿生耦合強韌化機械零部件的方法（申請號CN201110171734.2，公開日期2011-06-24），利用激光局部處理技術以提高高速軌道客車天線支架材料的常溫靜載拉伸性能，但是由于激光熔凝或熔覆處理會在材料表層形成殘余拉應力，如果材料內部存在微觀缺陷或使用過程中產生裂紋缺陷，殘余拉應力將導致材料的加速破壞；發明專利一種磁控激光仿生復合強化方法（申請號CN201310716814.0，公開日期2013-12-24），利用激光局部處理技術與磁場相復合的方法以改善激光處理后產生的殘余應力并細化金屬材料的微觀組織，以期提高金屬材料的表面性能，但是由于該方法只限于簡單金屬零部件的應用，不適應于復雜零部件的應用，這是因為金屬零部件越復雜施加在材料表面的旋轉磁場越不均勻，將降低改善效果，另外，對于鎂合金這種無磁性的金屬材料而言，其細晶強化效果不顯著。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種激光熔凝和超聲沖擊局部強化鎂合金高溫拉伸性能的方法，目的是通過利用激光熔凝和超聲沖擊復合局部處理鎂合金表面，達到進一步細化處理區域晶粒尺寸的效果，同時激光熔凝和超聲沖擊復合能夠消除激光熔凝處理產生殘余拉應力，從而有效提高鎂合金材料的高溫拉伸性能，延長鎂合金部件高溫服役壽命。超聲沖擊處理執行機構輕巧、使用方便、效率高、成本低且節能。本發明尤其適合于形狀復雜的鎂合金零部件。

實現本發明目的的技術方案按照以下步驟進行：

（1）用砂紙打磨鎂合金表面，用酒精進行表面清洗后對鎂合金表面進行黑化處理；

（2）采用激光束對鎂合金表面進行局部熔凝處理，激光功率為600W，離焦量為-8~+8mm，脈沖寬度為2~18ms，電流為70~220mA，頻率為2~10Hz，掃描速度為0.5~30mm/s，激光束在鎂合金表面形成若干條“S”形或若干個正多邊形的熔凝路徑，用酒精擦拭干凈表面；

（3）采用超聲沖擊沿激光束的熔凝路徑，對激光熔凝區域進行強化處理，超聲沖擊單針頭直徑為0.2mm~5mm，沖擊電流為1~5A，振幅為5~20μm，沖擊次數為1~5次，得到高溫拉伸性能改善的鎂合金。

其中，所述的黑化處理是采用刷或噴涂方式將涂料施涂在鎂合金表面，涂料骨料為活性碳，粘合劑為聚乙烯醇，稀釋劑為乙醇。

所述的局部熔凝處理的區域深度為0.1~3mm，寬度為0.2~5mm。

所述的相鄰兩條“S”形路徑的距離為5mm~40mm。

所述的正多邊形為正四邊形、正五邊形和正六邊形，正多邊形尺寸由其內切圓半徑確定，內切圓半徑為2.5mm~20mm。

與現有技術相比，本發明的特點和有益效果是：

本發明首先采用激光熔凝處理在鎂合金表面進行局部處理，然后利用超聲沖擊設備沿激光處理痕跡進行二次強化處理，不僅能改善激光熔凝處理后的殘余應力狀態，使殘余拉應力轉變為殘余壓應力，還能夠進一步細化激光處理區域的晶粒尺寸。

本發明的激光+超聲沖擊處理區域作為強化區域在高溫拉伸過程中不產生動態再結晶，在高溫使用環境中始終作為強化區域存在，而未經激光+超聲沖擊處理的區域則保持鎂合金的原始組織，在高溫拉伸過程中會產生動態再結晶，其高溫強度會大幅降低。因此，與未處理鎂合金相比，本發明的經激光熔凝+超聲沖擊局部強化的鎂合金能夠最大限度的提高鎂合金在高溫使用環境的強度，同時使韌性下降較小，從而延長鎂合金部件高溫服役壽命，對于加快航空航天和汽車工業領域上鎂合金零部件的廣泛應用具有十分重要的意義。

附圖說明

圖1是本發明實施例1中激光熔凝和超聲沖擊復合處理鎂合金局部的“S”形路徑示意圖；

圖2為本發明中激光熔凝和超聲沖擊復合處理鎂合金局部的正四邊形路徑示意圖；

圖3為本發明實施例2中激光熔凝和超聲沖擊復合處理鎂合金局部的正五邊形路徑示意圖；

圖4為本發明實施例3中激光熔凝和超聲沖擊復合處理鎂合金局部的正六邊形路徑示意圖；

圖1~圖4中H代表激光熔凝的深度；D代表激光熔凝的寬度；

圖5是實施例1中待處理的鎂合金的原始金相組織圖；

圖6是實施例1中經激光熔凝處理后的鎂合金金相組織圖；

圖7是實施例1中經超聲沖擊強化的鎂合金金相組織圖。

具體實施方式

實施例1

本實施例的激光熔凝和超聲沖擊局部強化鎂合金高溫拉伸性能的方法按照以下步驟進行：

（1）用砂紙打磨鎂合金表面，鎂合金金相原始組織圖如圖5所示，用酒精進行表面清洗后對鎂合金表面進行黑化處理，在鎂合金表面噴涂黑化涂料；

（2）采用激光束對鎂合金表面進行局部熔凝處理，處理區域深度H為0.5mm，寬度D為1mm，激光功率為600W，離焦量為-5mm，脈沖寬度為5ms，電流為75mA，頻率為3Hz，掃描速度為0.5mm/s，激光束在鎂合金表面形成如圖1所示的若干條“S”形的熔凝路徑，相鄰兩條“S”曲線的距離L為5mm，“S”形圓弧半徑R為8mm，用酒精擦拭干凈表面，經激光熔凝處理后的鎂合金金相組織圖如圖6所示；

（3）采用超聲沖擊沿激光束的熔凝路徑，對激光熔凝區域進行強化處理，超聲單針頭直徑為1mm，沖擊電流為2A，振幅為10μm，沖擊次數為2次，得到高溫拉伸性能改善的鎂合金，其金相組織圖如圖7所示。

從圖5、圖6和圖7的對比可以看出，激光熔凝后的超聲沖擊進一步細化了激光處理區域的晶粒尺寸。

經超聲沖擊處理后，處理區域的硬度較激光熔凝處理和未處理時分別提高22.5%和110.5%，超聲沖擊處理后激光熔凝處理表層為殘余壓應力。

高溫拉伸實驗結果顯示：200℃時激光熔凝+超聲沖擊復合局部強化試樣與未處理試樣相比，抗拉強度提高102.2%，屈服強度提高88.76%，延伸率下降9.57%；300℃時抗拉強度提高58.23%，屈服強度提高53.1%，延伸率下降9.37%；400℃時抗拉強度提高25.61%，屈服強度提高20.1%，延伸率下降17.37%。

實施例2

本實施例的激光熔凝和超聲沖擊局部強化鎂合金高溫拉伸性能的方法按照以下步驟進行：

（1）用砂紙打磨鎂合金表面，用酒精進行表面清洗后對鎂合金表面進行黑化處理，在鎂合金表面刷涂黑化涂料；

（2）采用激光束對鎂合金表面進行局部熔凝處理，處理區域深度H為0.8mm，寬度D為1.5mm，激光功率為600W，離焦量為-6mm，脈沖寬度為7ms，電流為95mA，頻率為3Hz，掃描速度為1mm/s，激光束在鎂合金表面形成如圖3所示的若干個正五邊形的熔凝路徑，正五邊形內切圓半徑為R為5mm，用酒精擦拭干凈表面；

（3）采用超聲沖擊沿激光束的熔凝路徑，對激光熔凝區域進行強化處理，超聲單針頭直徑為1.5mm，沖擊電流為2A，振幅為20μm，沖擊次數為2次，得到高溫拉伸性能改善的鎂合金。

超聲沖擊處理后處理區域的硬度較激光熔凝處理和未處理時分別提高28%和120%，超聲沖擊處理后激光熔凝處理表層為殘余壓應力。

高溫拉伸實驗結果顯示：200℃時激光熔凝+超聲沖擊復合局部強化試樣與未處理試樣相比，抗拉強度提高108.5%，屈服強度提高90.63%，延伸率下降10.07%；300℃時抗拉強度提高60.1%，屈服強度提高55.2%，延伸率下降11. 7%；400℃時抗拉強度提高26.7%，屈服強度提高21.5%，延伸率下降19.37%。

實施例3

本實施例的激光熔凝和超聲沖擊局部強化鎂合金高溫拉伸性能的方法按照以下步驟進行：

（1）用砂紙打磨鎂合金表面，用酒精進行表面清洗后對鎂合金表面進行黑化處理，在鎂合金表面刷涂黑化涂料；

（2）采用激光束對鎂合金表面進行局部熔凝處理，處理區域深度H為0.6mm，寬度D為1.2mm，激光功率為600W，離焦量為+5mm，脈沖寬度為8ms，電流為70mA，頻率為4Hz，掃描速度為1.5mm/s，激光束在鎂合金表面形成如圖4所示的若干個正六邊形的熔凝路徑，正六邊形內切圓半徑為R為4mm，用酒精擦拭干凈表面；

（3）采用超聲沖擊沿激光束的熔凝路徑，對激光熔凝區域進行強化處理，超聲單針頭直徑為1.2mm，沖擊電流為2A，振幅為8μm，沖擊次數為2次，得到高溫拉伸性能改善的鎂合金。

超聲沖擊處理后處理區域的硬度較激光熔凝處理和未處理時分別提高21.5%和108.5%，超聲沖擊處理后激光熔凝處理表層為殘余壓應力。

高溫拉伸實驗結果顯示：200℃時激光熔凝+超聲沖擊復合局部強化試樣與未處理試樣相比，抗拉強度提高98.7%，屈服強度提高87.81%，延伸率下降11.2%；300℃時抗拉強度提高55.8%，屈服強度提高50.7%，延伸率下降12. 7%；400℃時抗拉強度提高18.26%，屈服強度提高19.17%，延伸率下降21.49%。

以上實施例舉例說明，其它實施方式不再一一贅述。

經過上述測試可知，與其他方法相比，本發明通過首先通過激光束在鎂合金表面加工不同的表面形狀，再通過超聲沖擊沿激光加工路徑進行二次處理，可以達到進一步細化處理區域晶粒尺寸的效果，同時可以消除激光熔凝處理產生殘余拉應力，可有效提高鎂合金材料的高溫拉伸性能，延長鎂合金部件高溫服役壽命。另外，本發明生產工藝簡單，生產成本低，綠色環保。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍內。