AZ91D镁合金激光冲击强化力学性能及新型LSP系统工艺研究

摘要

镁合金密度为1.8g/cm3左右，具有阻尼性能好、弹性模量大、比强度高、承受冲击载荷能力强等优点。由于镁合金这些优越的性能，被广泛应用于航空航天、运输、化工、汽车等工业领域。随着汽车工业的发展，轻量化和环保化的需求越来越明显，高性能且质量轻的零件对镁合金的力学性能有了更高的要求。对镁合金进行表面改性可以提高镁合金的力学性能和疲劳寿命，而传统的材料表面改性技术，如喷丸强化、滚压对材料的影响层深度有限，采用激光冲击强化技术（Laser shock peening,LSP）对材料进行表面改性，很好地解决了镁合金绝对强度低、室温易疲劳等缺点，有效地抑制了材料裂纹的萌生与扩展，提高镁合金的应用范围和使用寿命。本文以AZ91D镁合金为研究对象，对其进行不同工艺参数的激光冲击强化处理和拉伸试验、摩擦试验，主要的研究内容和结论如下: 对镁合金试件表面进行不同光斑搭接率的激光冲击强化处理，利用拉伸试验探究光斑搭接率对激光冲击强化效果的影响。结果表明，随着光斑搭接率的增加，冲击强化效果提升明显，但是光斑搭接率75％的试件较50％的试件拉伸性能没有大幅度地提高，考虑到冲击强化效果和经济性等因素，选择较合适的光斑搭接率为50％。 对镁合金试件表面进行不同次数的激光冲击强化处理，研究激光冲击强化对镁合金显微硬度、摩擦性能及拉伸性能的影响。研究表明，激光冲击强化能显著地提高镁合金的显微硬度，有效地提高抗拉强度和屈服强度，平均摩擦系数也会随着激光冲击强化次数的增加而减小。分析拉伸试验结果发现:激光冲击强化会对试件表面带来粗糙度增加和凹坑等负效应，在激光冲击强化过程中存在着正负效应的平衡。分析扫描电子显微镜(SEM)观测的拉伸试件断口发现:未处理镁合金试件拉伸断口存在着大量的撕裂棱和等轴轫窝，经过激光冲击强化处理的镁合金试件呈现准解理面的断裂特性。同时分析了激光冲击强化对摩擦磨痕尺寸的影响机理，材料硬度对犁沟状磨痕的影响作用。随着冲击强化次数的增加，镁合金试件的摩擦系数和磨痕尺寸逐渐减小，材料硬度增加，犁沟状磨痕减小。利用扫描电子显微镜对磨痕底部进行微观形貌观察，发现未处理镁合金试件以疲劳剥落磨损为主，经过激光冲击强化处理的镁合金试件主要以磨粒磨损为主。 传统型激光冲击强化系统存在侧面喷水形成水膜稳定性较差、水膜厚度很难均匀控制、受到冲击波后发生溅射会对光路产生影响、能量耦合率低等缺点。本文针对传统型激光冲击强化系统存在的问题，创新地采用了同轴送水和移动吸收层等新工艺，搭建了新型激光冲击强化系统，基本解决了传统型激光冲击强化系统频繁更换吸收层处理速度慢和水膜稳定性差等缺点。此外，利用新型激光冲击强化系统对5052铝合金进行冲击强化处理，对处理前后试件进行了摩擦测试，结果表明，经过新型激光冲击强化后的试件摩擦性能得到提升，验证了新型激光冲击强化系统的可行性。