金屬材料的激光表面處理是一項新技術,其主要優點:對基體金屬的熱影響小,易于實現自動化與智能化,若采用高能量激光時,可以控制溫度,不需要真空等苛刻環境。除具有離子注入的優點外,還能處理復雜形狀的表面,深度可達幾微米,比離子注入的深;激光退火可使金屬表面形成亞穩結構固溶體。脈沖激光可在ns時間內產生高達1010℃/s的冷卻速度,是高速凝固的另一種形式,只不過僅是表面的熔化與凝固,而內部仍保持原來狀態。
采用激光處理AZ91C鎂合金表面,獲得了含有Al、Cr、Fe、Cu、Ni的厚100nm的薄層,研究了它在含有0.1%NaCl的硼酸、硼酸鹽溶液中的抗蝕性。研究表明,涂Al的激光表面改性層使擊穿電壓正移了約100mV,含有其它元素的改性層的抗蝕性也有不同程度的提高,即使含有在平衡狀態下對鎂合金抗蝕性嚴重不利的Cu、Fe、Ni等的材料,經激光處理后,擊穿電壓也有不小升高,這都是因為表面產生了非晶態混合氧化物。
有研究顯示,在AZ9IC鎂合金表面上激光濺射鋅涂層后,會改變擊穿電位,因為改變了表面層的Mg、Zn含量,而用低脈沖處理,則會降低Mg含量,增大Zn含量,抗蝕性上升。
若在純鎂上激光熔敷一層Mg25 Al75合金,則表面改性層的腐蝕電位正移了約0.7V,腐蝕速度下降兩個數量級,極化阻力上升4個數量級,鈍化區間明顯加大。在SiC增強ZK60合金復合材料上激光表面熔敷Al-Si合金后,熔敷層與基體結合良好;增大激光掃描速度,界面中出現未熔層;增大激光能量,熔敷層表面粗糙度明顯上升,熔敷層內的氣孔和裂紋也越多,同時,由于Mg在Al-Si合金中的擴散速度快,熔敷層中出現了Mg2Si,即Mg已從基體擴散到熔敷層內,對復合材料抗蝕性有較大增強,熔敷表層的腐蝕電流密度至少比未經處理試樣的低兩個數量級,因為,激光處理的表面層具有明顯細化的顯微組織。
在ZK60/SiC復合材料表面熔敷不銹鋼的研究發現,因二者熔點相差過大,激光處理的高速冷卻使接合面未熔合,而界面又氧化嚴重,所以,不能直接熔敷不銹鋼,不過也有好的解決辦法,在鎂合金和不銹鋼之間置以純Cu或Cu合金構成中間層就可以圓滿地解決此問題。激光處理后發現,熔敷層與基體發生了冶金接合,鎂合金與銅合金也實現了冶金接合。腐蝕試驗結果顯示,激光麥面處理大大提高了鎂合金的抗蝕性:腐蝕電位比未處理試樣的高1090mV,比表面噴射涂層試樣的高820mV,而抗蝕性也比表面熔敷Al-Si合金的更好。然而,在表面腐蝕形貌圖中發現,激光處理試樣表面發生了大量的晶間腐蝕,即Cu導致了不銹鋼的晶間腐蝕。
在研究表面激光熔敷Cu60Zn40合金層的Mg/SiC材料時,發現熔敷層與基體結合緊密,熔敷層交界面上存在Mg、Si、Cu、Zn的交互擴散。且Mg的擴散距離遠大于Cu、Zn原子的擴散。同時,腐蝕試驗揭示,激光熔敷試樣的腐蝕電位僅為未處理試樣的1/22??梢?,激光熔敷4-6黃銅可以大大提高復合材料的抗蝕性。不過,激光熔敷試樣的相對腐蝕電動勢卻比表面噴涂試樣的還低。因為處理時,基體元素與熔敷金屬的相互擴散,熔敷層內有SiC化合物,降低了熔敷層的抗蝕性。
除了激光表面熔敷合金層外,還可以用激光重熔技術提高鎂合金的抗蝕性。以激光熔化AZ31B合金表面的試驗發現,表面為粗糙波紋狀,其顯微硬度雖比基體的低,但抗蝕性卻明顯提高。不過,激光重熔表面并沒有提高鎂合金的抗蝕性,而且在高的能量輸入時,還會使抗蝕性下降。
雖然鎂合金的激光表面改性技術延長了工件的使用期限,但此種處理還存在一些問題有待改進:如何提高重熔層的硬度,熔敷層組織的均勻化,熔敷材料及工藝的優化等。