[發明專利]一種在高能束流加工中抑制鎂合金元素燒損的方法

有效

• 申請號: 201310624632.0
• 申請日: 2013-11-28
• 公開（公告）號: CN103639595A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 王澤敏;魏愷文;曾曉雁
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K26/12
• 分類號: B23K26/12;B23K37/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于鎂基輕質合金加工領域，具體涉及一種在高能束流加工中抑制鎂合金元素燒損、維持鎂合金成分的方法，該方法適用于所有體系鎂合金零部件的高能束流加工。

背景技術

鎂合金是密度最低的常用工程材料，因具有優良的比強度、電子屏蔽能力與阻尼性能，以及易機械加工、可循環利用、生物兼容等特點，在航空航天、汽車制造、電子和醫學等領域擁有廣闊的發展空間。

鎂合金零部件傳統加工方法分為鑄造和塑性加工兩種，其中鑄造是主要成形方法，包括壓鑄、砂型鑄造、消失模鑄造和金屬型鑄造等。但由于鎂合金活性高且液相粘度低，鑄造零件易產生氣孔、氧化、疏松和冷隔等缺陷，且組織粗大、成分偏析嚴重。鍛造、擠壓、軋制等塑性加工方法也被用于鎂合金零部件成形，然而受自身密排六方結構限制，鎂合金塑性變形困難，加工需要在200-500℃進行，成形效率低，目前塑性加工零部件不到鎂合金產品總量的2％。因此，開發鎂合金零部件加工新方法成為鎂合金發展的當務之急。

以激光、等離子體、電弧、激光-電弧復合等為能量源的高能量密度束流加工技術，具有非接觸、柔性化程度高、熱影響區小、效率高、加工后組織細小等優點，有望兼顧鎂合金零部件性能、精度及加工效率，彌補傳統加工方法的不足。例如，專利文獻“鎂合金激光-TIG焊接方法”(公開號CN?1526507A)公開了一種鎂合金激光焊接方法。該方法針對鎂合金型材與鑄件，利用激光與交流TIG有機匹配進行焊接，大幅度提高了鎂合金焊接的效率。

然而，鎂合金材料中的鎂元素與合金添加元素在物理化學性質上存在較大區別。一方面，鎂元素熔沸點較低，常壓下僅有650℃與1093℃，氣化潛熱僅為5.272kJ/kg；另一方面，鎂元素在其熔化溫度范圍內的飽和蒸氣壓遠大于其他添加元素，高能束流加工所形成的高溫熔池內部將不可避免的發生鎂元素選擇性燒損。高能束流加工鎂合金過程中，鎂元素燒損帶來的最大問題是加工區域的成分發生改變以及氣孔等缺陷的形成，從而影響零部件的最終性能。如文獻【D.Dubé，M.Fiset，A.Couture，I.Nakatsugawa.Characterization?and?performance?of?laser?melted?AZ91D?and?AM60B.Material?Science&EngineeringA，2001，299(1-2)：38-45】介紹了鎂合金AZ91D與AM60B的激光焊接，但由于鎂元素的燒損，焊縫組織出現了富鋁區域，焊接性能下降。文獻【Baicheng?Zhang，Hanlin?Liao，Christian?Coddet.Effects?of?processing?parameters?On?properties?Of?selective?laser?melting?Mg-9％A1?powder?mixture.Materials?and?Design，2012，34：753-758】研究了鎂-鋁混合材料的激光增材制造，同樣由于鎂元素的燒損，制品表面質量差，致密度極低。此外，鎂元素的燒損通常會產生大量易燃粉塵，增大高能束流加工過程的危險性。

目前研究者主要針對高能束流加工過程中熔池內部氣態鎂分子通過氣相邊界層擴散至氣相并從熔池溢出的問題，通過降低高能束流能量密度，降低了熔池溫度，縮短了熔池存在時間，使氣態鎂分子擴散及溢出時間減少，從而抑制鎂元素的燒損。然而，一方面，該方法僅能從動力學角度限制鎂蒸氣的溢出時間，為保證鎂合金中其他添加元素的充分熔化，熔池溫度通常高于鎂元素沸點，鎂的蒸發反應仍在液/氣相界面進行，鎂元素的燒損依然存在；另一方面，由于高能束流能量密度下降，高能束流作用區域減小，加工效率降低。例如文獻【薄板AZ31B鎂合金Nd：YAG脈沖激光焊接的研究，太原，太原理工大學碩士學位論文，2010】中，研究者在保證焊縫熔透的條件下盡量采用低的激光峰值功率，高的焊接速度，以降低鎂元素的燒損。但鎂元素的燒損依然存在，并導致了焊縫的下陷。文獻【鎂合金厚板激光焊縫組織及抗拉強度研究，激光技術，第35卷第2期，2011】更是直接指出，單純改變高能束流能量密度的方法無法有效抑制鎂元素的燒損。該文通過對因元素燒損產生的焊縫凹陷區域進行補焊，保證了焊縫的性能。然而，補焊過程無疑降低了加工效率。

發明內容

針對上述不足，本發明提供一種在高能束流加工中抑制鎂合金元素燒損的方法，本發明操作簡便，能夠有效抑制元素的燒損，保證所加工鎂合金零部件的成分和性能。