一种在高能束流加工中抑制镁合金元素烧损的方法

摘要

本发明公开了一种在高能束流加工中抑制镁合金元素烧损的方法，该方法对加工区域整体或局部环境压力实施调控，在0.3MPa～0.6MPa的高压条件下进行镁合金高能束流加工，利用金属沸点随环境压力增大而升高的原理，从热力学角度限制了镁元素的蒸发，有效解决了镁合金元素选择性烧损难题。本发明可用于加工各种大尺寸、高性能、高精度、未发生明显镁元素选择性烧损的镁合金零件，且无需下降高能束能量密度，无需后续加工，效率高、环境污染小。本发明实现方式灵活，针对各种体系的镁合金型材或粉末，可广泛应用于包括焊接、增材制造、熔覆、表面处理等在内所有以激光、等离子束、电弧、激光-电弧复合为能源的镁合金零部件工业化大规模高能束流加工。

说明书

技术领域

本发明属于镁基轻质合金加工领域，具体涉及一种在高能束流加工中 抑制镁合金元素烧损、维持镁合金成分的方法，该方法适用于所有体系镁 合金零部件的高能束流加工。

背景技术

镁合金是密度最低的常用工程材料，因具有优良的比强度、电子屏蔽 能力与阻尼性能，以及易机械加工、可循环利用、生物兼容等特点，在航 空航天、汽车制造、电子和医学等领域拥有广阔的发展空间。

镁合金零部件传统加工方法分为铸造和塑性加工两种，其中铸造是主 要成形方法，包括压铸、砂型铸造、消失模铸造和金属型铸造等。但由于 镁合金活性高且液相粘度低，铸造零件易产生气孔、氧化、疏松和冷隔等 缺陷，且组织粗大、成分偏析严重。锻造、挤压、轧制等塑性加工方法也 被用于镁合金零部件成形，然而受自身密排六方结构限制，镁合金塑性变 形困难，加工需要在200-500℃进行，成形效率低，目前塑性加工零部件不 到镁合金产品总量的2％。因此，开发镁合金零部件加工新方法成为镁合金 发展的当务之急。

以激光、等离子体、电弧、激光-电弧复合等为能量源的高能量密度束 流加工技术，具有非接触、柔性化程度高、热影响区小、效率高、加工后 组织细小等优点，有望兼顾镁合金零部件性能、精度及加工效率，弥补传 统加工方法的不足。例如，专利文献“镁合金激光-TIG焊接方法”(公开号 CN 1526507A)公开了一种镁合金激光焊接方法。该方法针对镁合金型材与 铸件，利用激光与交流TIG有机匹配进行焊接，大幅度提高了镁合金焊接 的效率。

然而，镁合金材料中的镁元素与合金添加元素在物理化学性质上存在 较大区别。一方面，镁元素熔沸点较低，常压下仅有650℃与1093℃，气化 潜热仅为5.272kJ/kg；另一方面，镁元素在其熔化温度范围内的饱和蒸气压 远大于其他添加元素，高能束流加工所形成的高温熔池内部将不可避免的 发生镁元素选择性烧损。高能束流加工镁合金过程中，镁元素烧损带来的 最大问题是加工区域的成分发生改变以及气孔等缺陷的形成，从而影响零 部件的最终性能。如文献【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】介绍了镁合金AZ91D与 AM60B的激光焊接，但由于镁元素的烧损，焊缝组织出现了富铝区域，焊 接性能下降。文献【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】研究了镁-铝混合材 料的激光增材制造，同样由于镁元素的烧损，制品表面质量差，致密度极 低。此外，镁元素的烧损通常会产生大量易燃粉尘，增大高能束流加工过 程的危险性。

目前研究者主要针对高能束流加工过程中熔池内部气态镁分子通过气 相边界层扩散至气相并从熔池溢出的问题，通过降低高能束流能量密度， 降低了熔池温度，缩短了熔池存在时间，使气态镁分子扩散及溢出时间减 少，从而抑制镁元素的烧损。然而，一方面，该方法仅能从动力学角度限 制镁蒸气的溢出时间，为保证镁合金中其他添加元素的充分熔化，熔池温 度通常高于镁元素沸点，镁的蒸发反应仍在液/气相界面进行，镁元素的烧 损依然存在；另一方面，由于高能束流能量密度下降，高能束流作用区域 减小，加工效率降低。例如文献【薄板AZ31B镁合金Nd：YAG脉冲激光焊接 的研究，太原，太原理工大学硕士学位论文，2010】中，研究者在保证焊 缝熔透的条件下尽量采用低的激光峰值功率，高的焊接速度，以降低镁元 素的烧损。但镁元素的烧损依然存在，并导致了焊缝的下陷。文献【镁合 金厚板激光焊缝组织及抗拉强度研究，激光技术，第35卷第2期，2011】更 是直接指出，单纯改变高能束流能量密度的方法无法有效抑制镁元素的烧 损。该文通过对因元素烧损产生的焊缝凹陷区域进行补焊，保证了焊缝的 性能。然而，补焊过程无疑降低了加工效率。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种在高能束流加工中抑制镁合金元素烧 损的方法，本发明操作简便，能够有效抑制元素的烧损，保证所加工镁合 金零部件的成分和性能。

本发明提供一种在高能束流加工中抑制镁合金元素烧损的方法，其特 征在于，进行镁合金零部件的高能束流加工前，首先提升高能束流加工环 境的压力使镁元素的沸点提高，以抑制高能束流加工中镁合金的元素烧损。

作为上述技术方案改进，所述压力提升到0.3MPa～0.6MPa，镁元素的 沸点提高到1220℃～1350℃。

由于当前技术无法在保证高能束流加工效率的情况下真正实现对镁元 素烧损的有效抑制。本发明针对高能束流加工过程中熔池内部镁原子由液 相通过液相边界层扩散至液/气相界面，并在界面发生蒸发反应这一环节实 现对镁元素烧损的抑制，它是基于金属沸点随外界气压增大而升高的原理， 将加工环境压力提升至0.3MPa～0.6MPa的高压范围内。此时，镁元素熔点 基本不变，沸点却由常压下的1093℃显著提升至1220℃～1350℃，液态镁 的热力学稳定性极大提高。这种方法能够有效避免加工区域镁元素烧损且 兼顾加工效率，即通过改变高能束流加工环境压力来抑制高能束流加工中 镁合金的元素烧损，以充分发挥高能束流加工较其他传统加工方法的优势， 实现镁合金应用领域的快速发展。具体而言，本发明具有以下的技术效果：

(1)实现成本低，根据加工方法不同，可在现有高能束流加工系统基 础上增加可控压力工作室来实现，也可在高能束流加工区域配置局部气体 保护罩，通过调整保护气体流量形成局部环境压力直接实现；

(2)通过提高环境压力，增加液态镁热力学稳定性，从根本上抑制了 镁元素的蒸发，真正实现了对镁元素烧损的有效抑制；

(3)加工时无需下降高能束流能量密度，并且不需要后续加工，兼顾 了加工效率与加工质量；

(4)不受镁合金材料体系限制，针对纯镁、铸造镁合金与变形镁合金 等采用不同的整体或局部环境压力，均可达到同样的效果；

(5)应用范围广泛，可应用于包括高能束焊接、高能束增材制造、高 能束熔覆、高能束表面处理等在内所有以激光、等离子束、电弧、激光-电 弧复合作为能源的高能束流加工技术；

(6)应用本发明加工镁合金零部件，不但能有效抑制镁合金元素的烧 损，而且能减少蒸气及烟尘排放，提高加工安全系数。

附图说明

图1是本发明的第一种具体实施方式的示意图；

图2是本发明的第二种具体实施方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明 的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发 明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特 征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的关键在于通过改变高能束流加工环境压力提高镁元素的沸 点，以抑制高能束流加工中镁合金的元素烧损。本发明方法的具体实现步 骤为：

(1)为现有镁合金高能束流加工系统配备整体压力工作室或为高能束 流加工区域配备局部气体保护罩；

(2)针对不同镁合金材料以及具体高能束流加工系统，既可通过对压 力工作室进行整体压力调控，使环境压力处在0.3MPa～0.5MPa的任意高压 范围内；又可通过控制输入局部气体保护罩内部保护气体流量，对加工区 域局部环境压力进行调控，使加工区域局部环境压力处在0.3MPa～0.6MPa 的任意高压范围内；

(3)实验表明，镁元素沸点提升至1220℃，即环境压力达到0.3MPa 时，在未经下调高能束流能量密度的情况下，由于镁的蒸发反应量极大减 少，镁元素的烧损已可有效抑制。因此，根据实际加工时高能束种类、加 工方式及镁合金原料，控制环境压力处于步骤(2)所述范围，在无需降低 高能束流能量密度的条件下完成无明显元素烧损的高质量镁合金零部件的 高效率加工。

如图1所示，本发明提供的压力工作室包括承压密封腔体2、压力调节系 统3和保护气体入口4。

高能束1位于承压密封腔体2的上部。高能束可为激光、等离子束、 电弧、激光-电弧复合等。承压密封腔体2配备有压力调节系统3及保护气 体入口4，保护气体入口4可通入氩气、氦气或其他起保护作用的惰性气体。 通过压力调节系统3控制压力工作室内部的气体压力，使压力工作室内环 境压力可在0.3MPa～0.5MPa范围内任意调控。压力调节系统3可采用商业 成熟手动机构；也可为自动调节机构，如带有自反馈的压力控制装置。根 据不同的加工需要，镁合金材料5可为纯镁、铸造镁合金和变形镁合金的 块体、板材、薄片、型材或粉末。加工方法可为高能束焊接、高能束增材 制造、高能束熔覆、高能束表面处理等。实际加工参数和加工压力将根据 高能束种类、加工方法和镁合金原料来确定。

图2是本发明的第二种具体实施方式，但本发明的具体实施方式并不局 限于这一种。

下面结合附图2对发明作进一步详细说明：

如图2所示，本发明提供的局部环境压力可调的高能束流加工系统包括 局部气体保护罩2、保护气体入口3、保护气体出口4和压力监测系统5。

高能束1位于局部气体保护罩2的上方。高能束可为激光、等离子束、 电弧、激光-电弧复合等。局部气体保护罩2配备有保护气体入口3、保护 气体出口4及压力监测系统5，保护气体入口3可通入氩气、氦气或其他起 保护作用的惰性气体。通过调节通入保护气体入口3的保护气体流量，控 制加工区域局部环境压力，使加工区域局部环境压力可在0.3MPa～0.6MPa 范围内任意调控。局部气体保护罩2可采用商业成熟局部气体保护拖罩。 根据不同的加工需要，镁合金材料6可为纯镁、铸造镁合金和变形镁合金 的块体、板材、薄片、型材或粉末。加工方法可为高能束焊接、高能束增 材制造、高能束熔覆和高能束表面处理等。实际加工参数和加工压力将根 据高能束种类、加工方法和镁合金原料来确定。

实施例1：

可控压力工作室内的变形镁合金AZ31B板材TIG焊接，包括以下步骤：

(1)为焊接系统安装图1所示的压力工作室；

(2)将厚度为5mm的变形镁合金AZ31B板材表面清洗并固定在焊接 夹具上；

(3)向压力工作室内部通入氩气，使压力工作室的压力稳定在0.3MPa， 在钨极直径为2mm，焊接电流为120A，焊接速度为20mm/s的参数下焊接获 得平整的对接焊缝；

(4)对焊缝进行成分及性能分析，分析表明焊缝未发生元素选择性烧 损，焊缝镁元素含量为母材的100％，焊接气孔率为0.08％，焊缝拉伸强度 超过母材17％。

实施例2：

可控压力工作室内的铸造镁合金ZK61A激光增材制造，包括以下步骤：

(1)为激光增材制造系统安装图1所示的压力工作室；

(2)向压力工作室内部通入氦气，使压力工作室的压力稳定在 0.35MPa，在激光功率为160W，光斑直径为80μm，扫描速度为900mm/s， 分层厚度为40μm，搭接率为40％的参数下对粉末逐点逐线逐层扫描，完成 整个零部件的加工；

(3)对成形零件进行成分及性能分析，分析表明零件元素选择性烧损 程度极低，零件中的镁元素含量为母材的99.8％，零件致密度达到99.9％。 实施例3：

可控压力工作室内的铸造镁合金AZ91D板材等离子体表面熔覆，包括 以下步骤：

(1)为等离子体表面熔覆系统安装图1所示的压力工作室；

(2)将厚度为10mm的铸造镁合金AZ91D板材表面清洗并固定；

(3)向等离子体表面熔覆压力工作室内部通入氦气，使压力工作室的 压力稳定在0.4MPa，以氩气为工作气体，在工作电流为70A，熔覆速度为 50mm/s，送粉量为10g/min，搭接率为30％的参数下完成板材表面熔覆；

(4)对板材进行成分及性能分析，分析表明熔覆层与基材结合紧密， 熔覆层气孔率仅为0.11％。

实施例4：

可控压力工作室内的纯镁表面激光增强熔覆，包括以下步骤：

(1)为激光熔覆系统安装图1所示的压力工作室；

(2)将厚度为10mm的纯镁板材表面清洗后固定在夹具上；

(3)向压力工作室内部通入氩气，使压力工作室的压力稳定在0.5MPa。 在激光功率为2000W，光斑直径为1mm，扫描速度为100mm/s，搭接率为 30％，送粉量为10g/min的参数下对镁板表面进行增强熔覆，获得平整的表 面熔覆层；

(4)对板材与熔覆层的结合区域进行成分及性能分析，分析表明熔覆 层与基材结合紧密，熔覆层气孔率仅为0.02％。

实施例5：

可控压力工作室内的变形镁合金AZ31B板材激光—MIG复合焊，包括 以下步骤：

(1)为焊接系统安装图1所示的压力工作室；

(2)将厚度为10mm的变形镁合金AZ31B板材表面清洗并固定在焊 接夹具上；

(3)向压力工作室内部通入氩气，使压力工作室的压力稳定在 0.45MPa，在激光功率为3000W，光斑直径为0.2mm，电弧电流为50A，电 弧入射角为45°，电弧与激光束聚焦点间距为3mm，激光离焦量为-1mm， 焊接速度为70mm/s的焊接参数下焊接获得平整的对接焊缝；

(4)对焊缝进行成分及性能分析，分析表明焊缝元素选择性烧损程度 极低，焊缝镁元素含量为母材的99.6％，焊接气孔率为0.24％，焊缝拉伸强 度超过母材3％。

实施例6：

局部压力环境下的变形镁合金AZ61A板材激光焊接，包括以下步骤：

(1)为焊接区域配置图2所示的局部气体保护罩；

(2)将厚度为10mm的变形镁合金AZ61A板材表面清洗并固定在焊 接夹具上；

(3)向局部气体保护罩内冲入流量为30L/min的氩气，使焊接区域形 成0.6MPa左右的局部环境压力，在激光功率为4000W，光斑直径为0.5mm， 扫描速度为100mm/s，离焦量为-1mm，激光入射角为10°的焊接参数下获 得平整的对接焊缝；

(4)对焊缝进行成分及性能分析，分析表明焊缝未发生元素选择性烧 损，镁元素含量为母材的100％，焊接气孔率为0.12％，焊缝拉伸强度超过 母材5％。

总的来说，本发明方法采用现有技术所使用的加工工艺参数，尤其是 不需要降低高能束流能量密度，就可以完成镁合金零部件的高能束流加工， 并能有效抑制镁合金元素烧损。现将适用于该方法的部分加工工艺参数列 举如下：

对于激光增材制造，激光功率为50～1000W，光斑直径为50～200μm， 扫描速度为500～3000mm/s，分层厚度为10～150μm，搭接率为20～50％；

对于激光焊接，激光功率为2000～6000W，光斑直径为0.2～0.5mm， 扫描速度为20～130mm/s，离焦量为-1～0mm，激光入射角为0～10°；

对于激光-TIG复合焊接，激光功率为400～2000W，光斑直径为0.2～ 0.5mm，电弧电流为50～100A，电弧入射角为20°～45°，电弧与激光束聚 焦点间距为1～3mm，激光离焦量为-1～0mm，焊接速度为10～100mm/s；

对于激光-MIG复合焊接，激光功率为1000～4000W，光斑直径为0.2～ 0.5mm，电弧电流为50～150A，电弧入射角为20°～45°，电弧与激光束聚 焦点间距为1～3mm，激光离焦量为-1～0mm，焊接速度为10～80mm/s；

对于激光熔覆，激光功率为1000～5000W，光斑直径为0.5～3mm，扫 描速度为10～200mm/s，搭接率为10～50％，送粉量5～30g/min；

对于等离子体熔覆，以氩气为工作气体，工作电流为30-500A，熔覆速 度为10～100mm/s，送粉量5～20g/min，搭接率10～50％；

对于TIG焊接，钨极直径为2～3mm，焊接电流100～300A，焊接速度 为1～20mm/s。

本发明针对当前镁合金加工难题，通过提高整体或局部加工环境压力， 从热力学角度限制了镁元素的蒸发，真正有效抑制了镁合金高能束流加工 中难以避免的元素选择性烧损现象，同时该方法无需下降高能束流能量密 度，不需要后续加工，能够在兼顾效率的同时加工各种尺寸的高精度、高 性能镁合金零件。本发明并不局限于上述实施例中的一种，通过设计不同 的压力工作室或施加局部环境压力，可将本发明应用于不同体系镁合金的 各种以激光、等离子束、电弧、激光-电弧复合为能源的高能束流加工，并 能达到优良的效果。在本发明思想基础上进行简单的设备、参数替换，仍 应视为本发明保护范围之内。