CN110408769B - 飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的装置和方法 - Google Patents

飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的装置和方法，包括第一反应容器，所述第一反应容器内放置有镁合金试样，所述镁合金试样浸没在所述第一反应容器内的稀磷酸溶液中，所述第一反应容器的上方设置有飞秒激光发生装置。本发明将镁合金试样固定在稀磷酸溶液中，稀磷酸与镁合金试样反应生成磷酸盐膜，覆盖在镁合金试样表面。飞秒激光冲击，镁合金试样表面形成微织构，稀磷酸与镁合金在飞秒激光形成的表面微织构处再次填充反应，提高磷酸盐膜的厚度，并降低镁合金表面粗糙度，磷酸盐膜能够提高镁合金试样的耐腐蚀性。本发明可以很大程度上降低镁合金在腐蚀环境中的腐蚀敏感性,提高其使用寿命。

Description

飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的装置和方法
技术领域
本发明涉及提高镁合金耐腐蚀性技术，具体涉及一种飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的装置和方法。
背景技术
镁合金因密度小，强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大的特点，广泛用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。但是镁合金容易发生晶间腐蚀、点蚀和应力腐蚀开裂,这严重制约了镁合金在腐蚀环境下的应用。因此提高镁合金耐腐蚀性能成为迫切需要解决的问题。为了提高镁合金耐腐蚀性,国内外也进行了不少的研究。
激光冲击强化技术是最重要的一种表面改性技术,它可以在材料表面产生较大的残余压应力,并使材料表面组织发生晶粒细化与位错，以此提高材料的耐腐蚀性，将激光冲击强化技术应用于镁合金耐腐蚀性技术的研究比较少见。
发明内容
为了降低镁合金表面的粗糙度，降低镁合金在腐蚀环境中的腐蚀敏感性,提高其使用寿命，本发明提供一种飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的装置和方法。
为解决上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的装置，包括第一反应容器，所述第一反应容器内放置有镁合金试样，所述镁合金试样浸没在所述第一反应容器内的稀磷酸溶液中，所述第一反应容器的上方设置有飞秒激光发生装置。
上述方案中，所述第一反应容器上设置有第一进水口和第一出水口，所述第一进水口通过水管、第一电泵与第二反应容器上的第三出水口连通，所述第一出水口通过水管、第二电泵与第二反应容器上的第二进水口连通，所述第二反应容器内盛满了稀磷酸溶液。
上述方案中，所述第二反应容器内的稀磷酸溶液中安装有浓度传感器，所述浓度传感器与计算机控制系统连接，所述计算机控制系统输出端连接有第三电泵，所述第三电泵通过水管将浓磷酸储液箱和第二反应容器上的第四出水口连接。
上述方案中，所述浓磷酸储液箱和第二反应容器上第四出水口之间的水管上安装有流量控制器。
上述方案中，所述第二反应容器的底部开有第二出水口，所述第二出水口与第四电泵通过管路连接。
上述方案中，，所述第一反应容器位于三维移动平台上，所述三维移动平台与计算机控制系统连接，所述飞秒激光发生装置包括飞秒激光器、反光镜和凸透镜，所述飞秒激光器与所述计算机控制系统连接，所述飞秒激光器、所述反光镜和所述凸透镜通过光路进行连接。
上述方案中，所述第一反应容器内镁合金试样的周围开设有若干均匀的出水通道，每个所述出水通道通过管路系统最终和第一出水口连通。
上述方案中，所述第一反应容器的上端安装有方形窗口。
本发明还提供一种飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的方法，包括如下步骤：A.在第一反应容器内按照磷酸与水为1∶10的比例配置稀磷酸溶液，镁合金试样固定在第一反应容器的稀磷酸溶液中，第一反应容器的稀磷酸溶液没过镁合金试样3cm，第一反应容器固定在三维移动平台上；B.采用计算机控制系统打开第一电泵和第二电泵，使得第二反应容器内的稀磷酸溶液和第一反应容器中的稀磷酸溶液进行循环交换；C.第一反应容器中的稀磷酸溶液与镁合金试样反应形成磷酸盐膜附着在镁合金试样表面；D.用计算机控制系统控制三维移动平台按规定路径运动，同时计算机控制系统控制飞秒激光器发射飞秒激光束直接冲击固定在第一反应容器内的镁合金试样的表面上；E.飞秒激光持续冲击镁合金试样，镁合金试样的表面形成微织构，稀磷酸与镁合金试样在飞秒激光形成的表面微织构处再次填充反应，提高磷酸盐膜的厚度，并降低镁合金表面粗糙度；F.使用计算机控制系统关闭飞秒激光器，停止三维移动平台，打开第四电泵，释放第一反应容器内的反应溶液，取出镁合金试样。
上述方案中， 在反应过程中，第二反应容器内设置的浓度传感器实时监测第二反应容器内磷酸的浓度，计算机控制系统适时根据接收到的浓度传感器发送的浓度信号控制第三水泵和流量控制器，保持反应过程中第二反应容器内磷酸浓度保持不变；。
本发明的有益效果：（1）稀磷酸与镁合金试样反应产生的磷酸盐膜，附着在镁合金试样的表面，磷酸盐膜是一层非金属的不导电隔离层，能使金属工件表面的优良导体转变为不良导体，抑制金属工件表面微电池的形成，减少电化学反应，进而有效阻止镁合金的腐蚀。（2）飞秒激光冲击后，稀磷酸与镁合金在飞秒激光冲击后产生的表面微织构处填充反应，提高磷酸盐膜的厚度，并降低镁合金表面粗糙度,可以提高镁合金的耐腐蚀性。（3）与纳秒激光相比，飞秒激光加工峰值功率高，热效应小，加工精度高，在材料表面形成独有的微表面结构，可以在材料的表面形成微织构有助于容纳稀磷酸滞留在微结构中，使其与镁合金充分反应，生成致密均匀的氧化膜，这是纳秒激光加工无法比拟的。采用飞秒激光冲击镁合金试样，热影响区小，表面无需要牺牲层，稀磷酸溶液和镁合金试样直接接触，可以促进稀磷酸与镁合金充分反应，同时飞秒激光冲击，可以促使镁合金产生晶粒细化，形成一定深度的残余压应力层，提高镁合金的耐腐蚀性。（4）稀磷酸溶液作为飞秒激光产生的冲击波的约束层，更有效的使冲击波作用在靶材表面，冲击强化的效果更好。（5）所述的第一反应容器通过第一电泵和第二电泵与第二反应容器相连，构成循环系统，用于连接第一反应容器和第二反应容器的水管为软管，计算机控制系统通过控制第一电泵和第二电泵的流速，保证激光冲击的稀磷酸溶液在试样表面处于流动状态，使激光冲击产生的空泡随着稀磷酸溶液流动，消除空蚀对材料表面的影响。（6）飞秒激光冲击时，浓度传感器实时监测磷酸浓度，计算机控制系统通过控制第三电泵和流量控制器，保持反应过程中磷酸浓度保持不变。（7）第一反应容器中底部试样周围附近开设有四个均匀的出水通道，使镁合金表面不同位置产生的空泡能够快速流动，脱离镁合金试样表面。（8）在第一反应容器的上方开设有8cm*8cm的方形窗口4，利于飞秒激光入射到镁合金试样表面和利于观察飞秒激光冲击镁合金试样的过程。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为出水通道的结构示意图。
图中：1.飞秒激光器，2.反光镜，3.凸透镜,4.方形窗口，5.第一反应容器，6.第一进水口，7.稀磷酸溶液，8.镁合金试样，9.水管，10.第一出水口，11.三维移动平台，12.第一电泵，13.第二电泵，14.第二进水口，15.第二出水口，16.第四电泵，17.第二反应容器，18.第四出水口，19.第三出水口，20.浓度传感器,21.第三电泵，22.浓磷酸储液箱，23.流量控制器，24.计算机控制系统，25.出水通道。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节与工作情况。
本发明装置如图1所示，包含飞秒激光器1，反光镜2，凸透镜3, 方形窗口4，第一反应容器5，第一进水口6，稀磷酸溶液7，镁合金试样8，水管9，第一出水口10，三维移动平台11，第一电泵12，第二电泵13，第二进水口14，第二出水口15，第四电泵16，第二反应容器17，第四出水口18，第三出水口19，浓度传感器20,第三电泵21，浓磷酸储液箱22，流量控制器23，计算机控制系统24。第一反应容器5与第二反应容器17通过第一电泵12和第二电泵13构成循环系统，第一电泵12与第二电泵13由计算机控制系统25控制，调节流动速度。
飞秒激光冲击前，将镁合金试样8固定在第一反应容器5的稀磷酸溶液中，第一反应容器的稀磷酸溶液没过镁合金试样3cm，磷酸与镁合金反应，生成的磷酸盐膜附着镁合金试样表面，提高镁合金的耐腐蚀性，打开第一电泵12和第二电泵13，采用计算机控制系统25控制第一反应容器5中的镁合金试样8表面的溶液处于流动状态。
用计算机控制系统24控制三维移动平台11按规定路径运动，并且控制飞秒激光器1发出飞秒激光束直接冲击固定在第一反应容器中的镁合金试样8表面上。
飞秒激光冲击，镁合金试样表面形成微织构，稀磷酸与镁合金在飞秒激光形成的表面微织构处再次填充反应，提高磷酸盐膜的厚度，降低镁合金试样8的表面粗糙度。
在反应过程中，浓度传感器20实时监测第二反应容器17的溶液中磷酸浓度，计算机控制系统控制第三水泵21，流量控制器23，适时将浓磷酸储液箱22中的磷酸补充到第二反应容器17中，保持反应过程中第二反应容器17中的磷酸浓度保持不变。
飞秒激光冲击后，使用计算机控制系统25关闭飞秒激光器1，停止三维运动平台11，打开第四电泵16，释放反应溶液7，取出镁合金试样8。
如图2所示为第一容器5底部开设出4个出水通道25，保证飞秒激光产生的空泡能够快速从镁合金试样8表面流出，避免空泡与镁合金试样8表面发生空蚀作用。

Claims (3)

1.一种飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在第一反应容器(5)内按照磷酸与水为1∶10的比例配置稀磷酸溶液(7)，镁合金试样(8)固定在第一反应容器(5)的稀磷酸溶液中，第一反应容器(5)的稀磷酸溶液没过镁合金试样3cm，第一反应容器(5)固定在三维移动平台(11)上；
采用计算机控制系统(24)打开第一电泵(12)和第二电泵(13)，使得第二反应容器(17)内的稀磷酸溶液和第一反应容器(5)中的稀磷酸溶液进行循环交换；
第一反应容器(5)中的稀磷酸溶液与镁合金试样(8)反应形成磷酸盐膜附着在镁合金试样表面；
用计算机控制系统(24)控制三维移动平台(11)按规定路径运动，同时计算机控制系统(24)控制飞秒激光器(1)发射飞秒激光束直接冲击固定在第一反应容器(5)内的镁合金试样(8)的表面上；
飞秒激光持续冲击镁合金试样(8)，镁合金试样(8)的表面形成微织构，稀磷酸与镁合金试样(8)在飞秒激光形成的表面微织构处再次填充反应，提高磷酸盐膜的厚度，并降低镁合金表面粗糙度；
使用计算机控制系统(24)关闭飞秒激光器(1)，停止三维移动平台(11)，打开第四电泵(16)，释放第一反应容器(5)内的反应溶液，取出镁合金试样。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的方法，其特征在于，在反应过程中，第二反应容器(17)内设置的浓度传感器(20)实时监测第二反应容器(17)内磷酸的浓度，计算机控制系统(24)适时根据接收到的浓度传感器(20)发送的浓度信号控制第三电泵(21)和流量控制器(23)，保持反应过程中第二反应容器(17)内磷酸浓度保持不变。
3.一种应用于权利要求1所述的飞秒激光冲击提高镁合金耐腐蚀性的方法的装置，其特征在于，包括第一反应容器(5)，所述第一反应容器(5)内放置有镁合金试样(8)，所述镁合金试样(8)浸没在所述第一反应容器(5)内的稀磷酸溶液(7)中，所述第一反应容器(5)的上方设置有飞秒激光发生装置；所述第一反应容器(5)上设置有第一进水口(6)和第一出水口(10)，所述第一进水口(6)通过水管(9)、第一电泵(12)与第二反应容器(17)上的第三出水口(19)连通，所述第一出水口(10)通过水管(9)、第二电泵(13)与第二反应容器(17)上的第二进水口(14)连通，所述第二反应容器(17)内盛满了稀磷酸溶液(7)；所述第二反应容器(17)内的稀磷酸溶液中安装有浓度传感器(20)，所述浓度传感器(20)与计算机控制系统(24)连接，所述计算机控制系统(24)输出端连接有第三电泵(21)，所述第三电泵(21)通过水管(9)将浓磷酸储液箱(22)和第二反应容器(17)上的第四出水口(18)连接；所述浓磷酸储液箱(22)和第二反应容器(17)上第四出水口(18)之间的水管(9)上安装有流量控制器(23)；所述第二反应容器(17)的底部开有第二出水口(15)，所述第二出水口(15)与第四电泵(16)通过管路连接；所述第一反应容器(5)位于三维移动平台(11)上，所述三维移动平台(11)与计算机控制系统(24)连接，所述飞秒激光发生装置包括飞秒激光器(1)、反光镜(2)和凸透镜(3)，所述飞秒激光器(1)与所述计算机控制系统(24)连接，所述飞秒激光器(1)、所述反光镜(2)和所述凸透镜(3)通过光路进行连接；所述第一反应容器(5)内镁合金试样(8)的周围开设有若干均匀的出水通道(25)，每个所述出水通道(25)通过管路系统最终和第一出水口(10)连通；所述第一反应容器(5)的上端安装有方形窗口(4)。
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