CN109750242A - 激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法 - Google Patents

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本发明涉及镁合金表面改性技术领域，特指一种激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法。即先采用激光冲击强化技术处理镁合金表面，表面经打磨抛光后利用磁控溅射技术将镁基(Mg49Cu33Y18)金属玻璃膜沉积到镁合金表面，在激光冲击波超强作用力下，镁合金表层硬度得到大幅提升，减小了与金属玻璃膜之间的硬度差，使得镁合金和金属玻璃膜对外力的承受能力差减小，从而增强金属玻璃膜与镁合金之间的结合力，提升镁合金的耐磨性能；另外，由于金属玻璃膜本身的非晶特性导致腐蚀介质难以穿过金属玻璃膜侵入基体，使得抗腐蚀性能得到提升。

Description

激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法
技术领域
本发明涉及镁合金表面改性技术领域，特指一种激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法。
背景技术
镁合金有着非常低的密度，在汽车和航空航天业是一种先进的结构材料。最近，由于较低的弹性模量和生物可降解性，镁合金在临时生物植入方面得到的很好应用。然而，镁合金强度低、较差的耐磨性和抗腐蚀性限制了其在结构和生物医学领域的应用。金属玻璃材料没有晶界和位错，具有很强的耐腐蚀性；同时此类材料也有着优良的机械性能，如超高的强度、硬度和耐磨性。近年来研究发现，基于高强度以及膜与基体间良好的附着力等特点，金属玻璃膜能够提高基体材料的疲劳和磨损性能。因此，为克服镁合金较差的磨损性能和抗腐蚀性能等问题，在镁合金表面沉积一层金属玻璃膜会是一种很好的方法。但是，目前面临的挑战是如何将高硬度的金属玻璃膜应用到质地较软的镁合金上。两者巨大的硬度差会由于基体变形产生不均匀的应力，从而导致金属玻璃膜从基体脱落。另外，基体中金属玻璃膜原子的扩散率很低，基体与金属玻璃膜之间的附着力很差。为解决附着力差的问题，在基体和金属玻璃膜之间引进了一层Ti夹层，附着力提升的代价是硬度降低了。因此，发展一种新型的提高基体与薄膜附着力的方法成为必然。
激光冲击强化(laser shock peening，LSP)是一种新型的表面改性技术，利用超短脉冲(几十纳秒)、超高功率密度(>109W/cm2)的激光束照射在金属表面，吸收层吸收激光束能量产生高温高压的等离子体，在约束层的约束作用下，等离子体形成高压冲击波从而向材料内部传播，利用冲击波的力效应在材料表层发生塑性变形，使得表层材料微观组织发生变化，达到晶粒细化的效果，同时在材料表层诱导残余应力层，深度可达1-2mm(是机械喷丸的5-10倍)，从而提高材料的硬度、强度和耐磨性。
磁控溅射技术具有成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜等特点，其原理是氩气中的等离子体在电场和交变磁场的作用下，高能粒子加速轰击靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。随着表面功能膜、超硬膜和自润滑薄膜的表面沉积技术的发展，磁控溅射技术在机械加工行业中得到广泛应用，能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性、抗高温化学稳定性能和抗腐蚀性，从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法，即先采用激光冲击强化技术处理经逐级打磨和抛光处理后的镁合金表面，在激光冲击波超强作用力下，镁合金表层硬度得到大幅提升，减小了与金属玻璃膜之间的硬度差，使得镁合金和金属玻璃膜对外力的承受能力差减小，从而增强金属玻璃膜与镁合金之间的结合力；表面再经精细研磨和抛光后呈现镜面，利用磁控溅射技术将镁基金属玻璃膜沉积到镁合金表面，提升镁合金的耐磨性能；由于金属玻璃膜本身的非晶特性导致腐蚀介质难以穿过金属玻璃膜侵入基体，使得抗腐蚀性能得到提升。
本发明采用的技术方案，具体步骤如下：
(1)用砂纸对镁合金表面进行逐级打磨和抛光处理后，放在丙酮溶液中用超声波清洗机清除表面灰尘和油污；
(2)用流水冲洗镁合金、冷风吹干后，在镁合金表面贴上美国3M公司生产的激光冲击强化专用铝箔吸收层，再用专用夹具固定；
(3)设定激光冲击强化相关工艺参数，通过机械手控制镁合金工件，使其移动到激光束聚焦点上，采用逐行加工的方法对镁合金表面进行大面积激光搭接冲击强化；
(4)对激光冲击强化处理后的镁合金工件进行精细研磨和抛光处理，直到表面呈现镜面；
(5)设定磁控溅射相关工艺参数，在工件表面沉积镁基(Mg49Cu33Y18)金属玻璃膜。
所述步骤(1)中，用砂纸对镁合金表面进行逐级打磨处理是指：用砂纸目数分别为P400，P800，P1500，P2000，P3000的金相砂纸逐级打磨，抛光处理指：用金刚石喷雾抛光剂配合抛光布对镁合金表面进行抛光。
所述步骤(3)中，激光冲击强化相关工艺参数包括：波长1064nm，脉冲宽度8-16ns，单次脉冲能量6-12J，频率1Hz，光斑直径2-3mm，行间和列间的光斑搭接率为50％，约束层为1-2mm厚的流水。
所述步骤(4)中，激光冲击强化处理后的镁合金工件进行精细研磨是指：用砂纸目数分别为P1500，P2000，P3000的金相砂纸逐级打磨，抛光处理指：用金刚石喷雾抛光剂配合抛光布对镁合金表面进行抛光。
所述步骤(5)中磁控溅射相关工艺参数包括：标靶材质为Mg49Cu33Y18晶态合金，反应腔室的真空气压为5.5×10-5Pa，直流电源溅射功率为60W，标靶与基板间距为120mm，真空槽内注入30sccm的氩气，氩气气压范围为0.3-0.7Pa的压力。
本发明的技术效果：本发明先采用激光冲击强化技术处理镁合金表面，表面经打磨抛光后利用磁控溅射技术将镁基(Mg49Cu33Y18)金属玻璃膜沉积到镁合金表面，在激光冲击波超强作用力下，镁合金表层硬度得到大幅提升，减小了与金属玻璃膜之间的硬度差，使得镁合金和金属玻璃膜对外力的承受能力差减小，从而增强金属玻璃膜与镁合金之间的结合力，提升镁合金的耐磨性能；另外，由于金属玻璃膜本身的非晶特性导致腐蚀介质难以穿过金属玻璃膜侵入基体，使得抗腐蚀性能得到提升。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为实施例试样尺寸示意图。
图2为多层结构示意图。
图3为磨痕深度对比图。
图4为极化曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。
一种使用上述强化方法加工镁合金的实例，其步骤为:
实施例1：
(1)选用三块尺寸为10mm×10mm×4mm(长度×宽度×厚度)的镁合金试样进行试验，分别记作试样A、B和C，试样尺寸示意图如图1。用砂纸目数分别为P400，P800，P1500，P2000，P3000的金相砂纸对试样A、B和C进行逐级打磨，再用金刚石喷雾抛光剂配合抛光布对工件进行抛光；
(2)设定激光冲击强化相关工艺参数：波长1064nm，脉冲宽度12ns，单次脉冲能量10J，频率1Hz，光斑直径2mm，行间和列间的光斑搭接率为50％，约束层为2mm厚的流水；
(3)通过机械手控制镁合金试样B和C，使其移动到激光束聚焦点上，采用逐行加工的方法对镁合金表面进行大面积激光搭接冲击强化；
(4)对激光冲击强化处理后的镁合金试样C用砂纸目数分别为P1500，P2000，P3000的金相砂纸逐级打磨，再用金刚石喷雾抛光剂配合抛光布对工件进行抛光直到表面呈现镜面；
(5)设定磁控溅射相关工艺参数：标靶材质为Mg49Cu33Y18晶态合金，反应腔室的真空气压为5.5×10-5Pa，直流电源溅射功率为60W，标靶与基板间距为120mm，真空槽内注入30sccm的氩气，氩气气压范围为0.5Pa的压力，在试样C表面沉积镁基(Mg49Cu33Y18)金属玻璃膜，溅射时间为30min。
本实施例对处理后的试样A、B和C分别进行摩擦磨损试验和电化学腐蚀试验，并对比分析试验数据。摩擦磨损试验的接触方式是球盘式，所选磨球是440C不锈钢球，选用10N的载荷、20mm/s的滑动速度、5mm的滑动幅度进行往复式干摩擦试验，每次往复干摩擦试验的时间为15min。电化学腐蚀试验采用动电位扫描法测定腐蚀试样在质量分数为3.5％NaCl溶液中的极化曲线，扫描速率为10mV/s，试样工作面积为1cm2，试验采用三电极体系。从图3中可以看出，基体镀膜试样经过摩擦磨损试验后，表面磨损沟槽深度最深，激光冲击处理后试样表面磨损沟槽深度次之，激光冲击处理加磁控溅射处理后试样表面磨损沟槽深度最浅。电化学腐蚀试验结果(图4)说明，经过激光冲击强化和磁控溅射处理后，试样C的腐蚀电位正移明显，腐蚀电流密度降低。试验结果说明，镁合金经激光冲击强化处理后，表层硬度得到大幅提升，减小了与金属玻璃膜之间的硬度差，使得镁合金和金属玻璃膜对外力的承受能力差减小，从而增强金属玻璃膜与镁合金之间的结合力，提升镁合金的耐磨性能。另外，由于金属玻璃膜本身的非晶特性导致腐蚀介质难以穿过金属玻璃膜侵入基体，使得抗腐蚀性能得到提升。

Claims (6)

1.激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，即先采用激光冲击强化技术处理经逐级打磨和抛光处理后的镁合金表面，在激光冲击波超强作用力下，镁合金表层硬度得到大幅提升，减小了与金属玻璃膜之间的硬度差，使得镁合金和金属玻璃膜对外力的承受能力差减小，从而增强金属玻璃膜与镁合金之间的结合力；表面再经精细研磨和抛光后呈现镜面，利用磁控溅射技术将镁基金属玻璃膜沉积到镁合金表面，提升镁合金的耐磨性能；由于金属玻璃膜本身的非晶特性导致腐蚀介质难以穿过金属玻璃膜侵入基体，使得抗腐蚀性能得到提升。
2.如权利要求1所述的激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)用砂纸对镁合金表面进行逐级打磨和抛光处理后，放在丙酮溶液中用超声波清洗机清除表面灰尘和油污；
(2)用流水冲洗镁合金、冷风吹干后，在镁合金表面贴上美国3M公司生产的激光冲击强化专用铝箔吸收层，再用专用夹具固定；
(3)设定激光冲击强化相关工艺参数，通过机械手控制镁合金工件，使其移动到激光束聚焦点上，采用逐行加工的方法对镁合金表面进行大面积激光搭接冲击强化；
(4)对激光冲击强化处理后的镁合金工件进行精细研磨和抛光处理，直到表面呈现镜面；
(5)设定磁控溅射相关工艺参数，在工件表面沉积镁基金属玻璃膜。
3.如权利要求2所述的激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，用砂纸对镁合金表面进行逐级打磨处理是指：用砂纸目数分别为P400，P800，P1500，P2000，P3000的金相砂纸逐级打磨；抛光处理指：用金刚石喷雾抛光剂配合抛光布对镁合金表面进行抛光。
4.如权利要求2所述的激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，激光冲击强化相关工艺参数包括：波长1064nm，脉冲宽度8-16ns，单次脉冲能量6-12J，频率1Hz，光斑直径2-3mm，行间和列间的光斑搭接率为50％，约束层为1-2mm厚的流水。
5.如权利要求2所述的激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，激光冲击强化处理后的镁合金工件进行精细研磨是指：用砂纸目数分别为P1500，P2000，P3000的金相砂纸逐级打磨；抛光处理指：用金刚石喷雾抛光剂配合抛光布对镁合金表面进行抛光。
6.如权利要求2所述的激光冲击强化结合磁控溅射提升镁合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，磁控溅射相关工艺参数包括：标靶材质为Mg49Cu33Y18晶态合金，反应腔室的真空气压为5.5×10-5Pa，直流电源溅射功率为60W，标靶与基板间距为120mm，真空槽内注入30sccm的氩气，氩气气压范围为0.3-0.7Pa的压力。
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