自青銅器時代以來，金屬已被鑄造成不同的形狀以用于不同的應(yīng)用。腐蝕的光滑表面對于鑄造金屬的許多當(dāng)今用途至關(guān)重要，從生物植入物到汽車零件。來自南洋理工大學(xué)和新加坡制造技術(shù)研究所 (SIMTech) 的 Yingchun Guan 和她的同事展示了不同的激光加工方法如何改善金屬表面并保護它們免受腐蝕。

　　▲圖形摘要. 合金表面的光學(xué)顯微鏡橫截面顯示，加工過程中激光束重疊的增加減少了小裂紋的數(shù)量（左上角，25% 重疊；右上角，50%；左下角，75%；右下角，90% ）

　　激光加工引發(fā)了關(guān)于改善材料表面性能的大量研究活動。以前的研究人員發(fā)現(xiàn)，金屬合金的表面性能，如耐磨性和耐腐蝕性，由于與激光加工相關(guān)的快速凝固后的精細(xì)顯微結(jié)構(gòu)和富集的合金元素而顯著提高。

　　為了在實際工程應(yīng)用中將激光技術(shù)應(yīng)用于大型表面部件，通常需要使用掃描激光束多次通過重疊相鄰跡線以產(chǎn)生區(qū)域覆蓋。人們早就意識到，激光束重疊可能在影響激光處理材料的最終表面性能方面發(fā)揮重要作用。

　　然而，到目前為止，還沒有集中精力研究激光束重疊對熔池中凝固微觀結(jié)構(gòu)演化動力學(xué)的影響。本研究的目的是研究重疊軌跡如何影響最佳掃描速度下激光熔化AZ91D鎂合金的傳熱和液體流動、微觀結(jié)構(gòu)演變以及電化學(xué)行為。

　　所研究的材料是鑄態(tài)AZ91D鎂合金，其化學(xué)成分(wt%)：Al 8.97、Zn 0.78、Mn 0.31、Si 0.023、Cu 0.002、Ni 0.0005，其余為鎂。從鑄錠中取出 20 毫米 x 30 毫米 x 3 毫米的試樣，用逐漸變細(xì)的 SiC 紙（180、400、800、1200、2400 和 4000 粒度）研磨，用酒精清潔，然后用 Lumonics JK702 Nd 照射：高純氬氣保護下的YAG激光系統(tǒng)（波長為1064 nm）。固定的激光參數(shù)為功率密度3.82 × 102*2 W/cm2，掃描速度10mm/s，頻率100Hz，脈沖持續(xù)時間1 ms。激光加工過程中重疊率從25%到90%不等，如圖1所示。該研究選取了四個標(biāo)為E、F、G和H的試樣，重疊率分別為25%、50%、75 % 和 90%。激光器在近 TEM00 模式下運行，光束散焦至直徑為 1毫米（兩個后續(xù)軌道之間的距離約為 500 微米）。

　　▲圖1. 激光表面熔化過程示意圖

　　▲圖2. 激光熔化前后 AZ91D 鎂合金表面顯微組織演變的頂視圖掃描電子顯微圖

　　▲圖3. 透射電子顯微鏡顯示 AZ91D 鎂合金在激光熔化前后隨著重疊率的增加而凝固組織：(a) 合金原樣；(b) E; (c) F；(d) G. 來自這些顆粒之一的 SAD 圖案，表現(xiàn)出 β-Mg17Al12 結(jié)構(gòu)

　　通過檢查AZ91D樣品熔化后的橫截面圖，研究人員發(fā)現(xiàn)軌跡之間的重疊程度越大，凝固過程中產(chǎn)生的小裂紋數(shù)量就越少。在處理用于接觸液體的金屬時，應(yīng)該考慮這一發(fā)現(xiàn)，比如那些將用于生物植入的金屬。

　　此外，基于 EDS 測量的化學(xué)成分定量分析發(fā)現(xiàn)，隨著重疊率的增加，重疊區(qū)域的平均 Al 濃度從 11.5 wt% 增加到 16.7 wt%，而平均 Mg 濃度同時從 87.1 wt% 減少到 82.2 wt%?；瘜W(xué)成分變化的原因是由于合金元素在激光加工過程中隨著重疊率的增加而增強的選擇性汽化。

　　▲圖4. 輻照后 AZ91D 鎂合金的橫截面圖，重疊率增加 (a) E (b) F (c) G 和 (d) H

　　▲圖5. 激光熔體 AZ91D 鎂合金凝固組織截面圖的掃描電子顯微照片，重疊率增加：(a) E (b) F (c) G 和 (d) H。還顯示了這些區(qū)域的高倍放大圖像。

　　根據(jù)該團隊的模型，更大程度的重疊提供了更多的熱量，從而改善了熔融液體中金屬的對流并產(chǎn)生了更均勻的表面。該團隊的電化學(xué)測試還證實，材料表面越均勻，就越耐腐蝕。該團隊的方法，尤其是理論模型，適用于評估其他合金和化合物的激光加工。由于表面結(jié)構(gòu)不僅會影響機械和化學(xué)特性，還會影響電子、熱和光學(xué)參數(shù)，因此這些發(fā)現(xiàn)將與用于各種應(yīng)用的金屬相關(guān)。