一种激光表面熔凝提高2系铝合金抗腐蚀性能的方法

摘要

本发明公开了一种激光表面熔凝提高2系铝合金抗腐蚀性能的方法，包括以下步骤：在保护气氛下采用光纤毫秒方波脉冲激光对2系铝合金表面进行激光熔凝处理，其中，方波的峰值功率为600～1000W，脉冲频率为10HZ～100HZ，占空比为0.3～0.6；平均激光功率为600～800W，扫描速度为8～10mm/s。本发明处理后形成的熔凝组织中，析出相呈细小球形且离散，元素均匀分布，Cu元素偏析减少，同时没有冶金缺陷，该组织能有效抵御腐蚀介质的攻击。

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种激光表面熔凝提高2系铝合金抗腐蚀性能的方法。

背景技术

激光表面熔凝是以激光为热源，利用激光与物质相互作用快速熔化与快速凝固的特点，达到细化材料表层组织，减少偏析的目的。是一种快速高效无污染的材料表面改性技术。激光表面熔凝在提高材料耐磨性、抗腐蚀性等方面得到广泛应用。铝合金因其轻质、高强、加工性能好等优点，在航空航天、航海、汽车等领域应用广泛。然而，铝合金的抗腐蚀性差，尤其是以Cu为主要合金元素的2系铝合金，其抗腐蚀性差已成为限制其应用的主要瓶颈。2系铝合金抗腐蚀性差的主要原因是合金元素与主元素形成了第二相，主要为Al₂Cu，传统的铸、锻、焊成形的铝合金，第二相颗粒尺寸较大，限制了铝合金表面钝化膜的形成，在第二相与基体的界面处钝化膜较为薄弱，甚至存在裂纹等缺陷，当铝合金处在含氯离子的腐蚀环境下，氯离子容易通过这些钝化膜的薄弱区域渗透到金属表面，形成局部腐蚀。另一方面，Al₂Cu相具有比基体更高的电势，容易形成腐蚀微电池，Al₂Cu作为阴极，易导致其周围的基体被腐蚀。因此，要提高铝合金的抗腐蚀性能，控制第二相的形貌和分布是关键。

近几十年来，国内外学者在利用激光表面熔凝技术提高铝合金抗腐蚀性能方面开展了大量研究。Liu等人利用CO₂激光对2014和2024铝合金开展了表面熔凝研究，并研究了熔凝层的组织和性能。熔凝层组织为柱状枝晶或胞晶，枝晶间距为微米级，合金元素偏析得到较大改善，熔凝层的抗腐蚀性能得到较大提高。但由于冷却速率较低，重熔层仍然存在较大程度合金元素偏析，Cu元素聚集在枝晶间形成析出相，加之由于基体与Al₂Cu等第二相间的电偶效应，网状枝晶里的基体加速腐蚀，腐蚀性能提高有限。F.Viejo等研究了利用准分子纳秒脉冲激光对铝合金表面熔凝，由于准分子激光提供的超快冷却速率，熔凝层第二相完全消除，与此同时，由于较高的Cu含量，2系合金熔凝层存在一条Cu偏析带，此外，同样由于过高的冷却速率，熔凝层中存在气孔、裂纹等缺陷。虽然第二相的消除有助于减少电偶腐蚀，但偏析带，冶金缺陷等位置仍易受到点蚀攻击。

可见，已有的激光表面熔凝技术虽能不同程度提高铝合金的抗腐蚀性能，但因熔凝层存在合金元素偏析、冶金缺陷等，腐蚀性能的提高仍受到一定的限制，为进一步提高铝合金的抗腐蚀性能，需要获得一种组织细化，元素均匀分布，同时没有冶金缺陷的组织。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种激光表面熔凝提高2系铝合金抗腐蚀性能的方法，经本发明处理后形成的熔凝组织中，析出相呈细小球形且离散，元素均匀分布，Cu元素偏析减少，同时没有冶金缺陷，该组织能有效抵御腐蚀介质的攻击。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种激光表面熔凝提高2系铝合金抗腐蚀性能的方法，包括以下步骤：

在保护气氛下采用光纤毫秒方波脉冲激光对2系铝合金表面进行激光熔凝处理，其中，方波的峰值功率为600～1000W，脉冲频率为10HZ～100HZ，占空比为0.3～0.6；平均激光功率为600～800W，扫描速度为8～10mm/s。

上述的激光表面熔凝提高2系铝合金抗腐蚀性能的方法，优选的，光纤激光波长为1.06μm，光斑直径为1～2mm，搭接率为30～50％。

上述的激光表面熔凝提高2系铝合金抗腐蚀性能的方法，优选的，采用同轴送气方式输送保护气体，载气流量为10～12L/min。

上述的激光表面熔凝提高2系铝合金抗腐蚀性能的方法，优选的，在进行激光熔凝处理之前，还包括：在2系铝合金表面均匀涂覆一层炭黑。

上述的激光表面熔凝提高2系铝合金抗腐蚀性能的方法，优选的，在涂覆炭黑之前，还包括：对2系铝合金表面进行打磨、清洗。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过采用光纤毫秒方波脉冲激光对2系铝合金进行激光表面熔凝，并对激光熔凝工艺进行优化，可赋予激光熔池适宜的加热速率和冷却速率，促进晶粒的形核，细化凝固组织，抑制Cu元素偏析，与连续激光熔凝技术相比，能消除基材中大尺寸的金属间化合物，将微米级的长链状Al₂Cu相调整为亚微米级的球形颗粒状Al₂Cu相，第二相尺寸和形貌得以细化；与准分子纳秒脉冲激光技术相比，Cu元素偏析程度降低，且减少了铝合金表层钝化膜的缺陷，也即减少了点蚀攻击的位点，均匀分布的合金元素有效减少了第二相与基体间的电势，从而减少了腐蚀驱动力，熔凝层的抗腐蚀性能得以显著提高。

附图说明

图1为经实施例1处理的2219-T6态铝合金表面形成的激光熔凝层的SEM图。

图2为经对比例1处理的2219-T6态铝合金表面形成的激光熔凝层的SEM图。

图3为经对比例2处理的AA2124铝合金表面形成的激光熔凝层的SEM图。

图4为经对比例3处理的2219-T6态铝合金表面形成组织的SEM图。

图5为实施例1、对比例1和对比例3获得的表面组织的极化曲线。

图6为实施例1、对比例1～3获得的表面组织经浸泡腐蚀后的SEM对比图；其中，a图为对比例3的表面组织腐蚀图，b图为对比例1的表面组织腐蚀图，c图为对比例2的表面组织腐蚀图，d图为实施例1的表面组织腐蚀图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种本发明的光纤毫秒方波脉冲激光表面熔凝提高2219-T6态铝合金抗腐蚀性能的方法，包括以下步骤：

S1：用SiC砂纸逐级打磨样品表面至1200目砂纸，用酒精超声清洗表面，保持样品表面清洁，为提高铝合金对激光的吸收率，在样品表面均匀涂覆一层炭黑；

S2：对激光表面熔凝工艺参数进行初步优化，获得初步激光表面熔凝工艺窗口，优化参数：激光波长1.06微米，平均激光功率为800W，扫描速度为8mm/s，搭接率为50％，光斑直径为2mm，载气流量10L/min；

S3：进行铝合金激光表面熔凝，激光光源波形调制为方波；其中，方波的参数为：峰值功率：8000W，脉冲频率：100HZ，占空比：0.5，激光熔凝结束后，2219-T6态铝合金表面形成熔凝层。

对比例1：

一种本对比例的CO₂连续激光表面熔凝提高2219-T6态铝合金抗腐蚀性能的方法，包括以下步骤：

S1：用SiC砂纸逐级打磨2219-T6态铝合金表面至1200目砂纸，用酒精超声清洗表面，保持样品表面清洁，为提高铝合金对激光的吸收率，在样品表面进行喷砂处理；

S2：进行铝合金激光表面熔凝处理，优化参数为：激光波长10.6μm，平均激光功率为1600W，扫描速度为20mm/s，搭接率为50％，光斑直径为1mm，载气流量8L/min，得到表面具有熔凝层的2219-T6态铝合金，激光熔凝结束后，2219-T6态铝合金表面形成熔凝层。

对比例2：

一种本对比例的准分子纳秒脉冲激光(Excimer)表面熔凝提高AA2124铝合金抗腐蚀性能的方法，包括以下步骤：

S1：实验材料：用SiC砂纸逐级打磨样品表面至1200目砂纸，用酒精超声清洗表面，保持样品表面清洁；

S2：进行铝合金激光表面熔凝处理，优化参数为：激光波长248nm，激光功率为80W，脉冲宽度13ns，扫描速度为1.8mm/s，搭接率为20％，光斑直径为4.0×1.75mm，载气流量8L/min，激光熔凝结束后，AA2124铝合金铝合金表面形成熔凝层。

对比例3：

一种本对比例的2219铝合金锻造+固溶时效热处理的方法，包括以下步骤：

S1：2219铸造坯料，始锻温度：470℃，终锻温度：380℃，经多次镦拔后模锻成型；

S2：将锻件进行固溶处理，固溶温度535℃，保温时间按10min/mm计算，固溶后水冷淬火，淬火温度50～70℃；

S3：固溶处理后24h内进行人工时效处理，加热温度190℃，保温时间10h，保温结束后空冷或随炉冷却。

图1为经实施例1处理的2219-T6态铝合金表面形成的激光熔凝层的SEM图，由图可见，采用光纤毫秒方波脉冲激光获得的表面熔凝组织，析出相呈球形细小离散形貌，无铜偏析带出现。

图2为经对比例1处理的2219-T6态铝合金表面形成的激光熔凝层的SEM图，由图可见，采用连续激光获得的表面熔凝组织，为典型的柱状枝晶组织，析出相呈长链状分布在枝晶间

图3为经对比例2处理的AA2124铝合金表面形成的激光熔凝层的SEM图，由图可见，采用Excimer激光获得的表面熔凝组织，无析出相，但存在气孔、裂纹等缺陷，且在熔凝层和基体处存在Cu偏析带。

图4为经对比例3处理的2219-T6态铝合金表面形成组织的SEM图，由图可见，该组织为典型的等轴组织，粗大的金属间化合物聚集在晶界及晶内。

对实施例1、对比例1～3获得的表面组织及基材进行抗腐蚀性能测试，主要的腐蚀性能测试方法包括开路点蚀(OCP)，循环极化曲线(CP)、不同时间的浸泡腐蚀等，所有测试所用腐蚀液均为3.5％NaCl溶液。

图5为实施例1、对比例1和对比例3获得的表面组织的极化曲线，由图可见，采用实施例1的光纤毫秒方波脉冲调制激光获得的组织的自腐蚀电势E_corr、点蚀电势E_pit均显著高于传统锻造+固溶时效热处理组织和连续激光熔凝组织，而腐蚀电流I_corr则比后者少一个数量级，说明本发明调制激光形成的熔凝层组织的抗腐蚀性能显著提高。

图6为实施例1、对比例1～3获得的表面组织经浸泡腐蚀后的SEM对比图，其中，传统方法(对比例3)形成的表面组织腐蚀后在晶界和晶内的金属间化合物处发生了严重的局部腐蚀(如a图所示)；连续激光(对比例1)形成的表面熔凝组织腐蚀后长链状析出相周围的基体发生了明显腐蚀(如b图所示)；Excimer激光(对比例2)形成的表面熔凝组织腐蚀后无偏析相区抗腐蚀性好，在重熔层搭接区域，Cu偏析带、气孔、裂纹等部位出现了较大程度腐蚀(如c图所示)；而光纤毫秒方波脉冲调制激光(实施例1)形成的表面熔凝组织腐蚀后基体和第二相均保持完好，且在表层形成了一层完整的钝化膜，有效抵御了腐蚀介质的攻击。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，2系铝合金抗腐蚀性差的主要因素为第二相Al₂Cu及铜偏析阻碍钝化膜的形成，2系铝合金各牌号的铜含量大致相等，因此，本发明的保护范围并不仅局限于实施例1的2219-T6态铝合金。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。