激光重熔对高强铝合金腐蚀性能的影响
摘 要摘 要激光重熔技术[1]是在高强度激光辐照下将金属材料表面局部区域快速升温至熔化，随后借助冷态金属本体的热传递作用，使重熔区域很快凝固，形成具有组织和结构都极其细小的非平衡得铸态组织。但由于铝合金易受高热作用变形，从而导致材料不符合元器件的规格要求。而我们所做的实验是对铝合金进行激光重熔，由于激光的高功率而产生高热量，而铝合金散热过慢，这就要我们前期选好激光重熔的参数，以及用合适的手段辅助散热。采用较大功率激光器对2219铝合金表面进行快速照射并且加热重熔,之后使其快速冷却凝固,从而得到厚度达1mm以上的表面重熔层。通过扫描电子显微镜进行拍照,研究了2219铝合金表面重熔区域组织结构。实验证明,经过激光重熔处理后的表面重熔层,其晶体组织明显细化。另外,表面重熔层的平均显微硬度在有所提高,耐磨性明显高于母材料,这是因为过饱和固溶效应细以及细晶强化的结果[2]。另外，通过电化学实验，经过表面激光重熔2219铝合金的进行电化学测试，激光重熔后2219铝合金的自腐蚀电位明显提高以及腐蚀电流密度明显降低，而且搭肩率越大自腐蚀电位越高，而腐蚀电流密度则降低，这表明在激光重熔后2219铝合金的耐腐蚀性能得到了明显提升。关键词：高强铝合金，激光重熔，微观组织，腐蚀性能目录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景 1
1.2 激光 2
1.3 激光技术 3
1.3.1 激光重熔技术 3
1.3.1.1 激光表面重熔技术 3
1.3.1.2 激光器与铝合金表面的作用机制 4
1.3.1.3 激光处理三种强化机制 5
1.3.2 激光表面合金化 6
1.3.3 激光表面熔覆 6
1.3.3.1 金属基复合材料涂层 7
1.3.3.2 金属陶瓷复合涂层 7
1.4铝合金中的析出相 8
1.4.1 高强铝合金中的沉淀强化相 8
1.4.2 铝合金中的微量合金相 10
1.5 2219高强铝合金成分及力学性能 11
1.6铝合
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
6
1.3.3.1 金属基复合材料涂层 7
1.3.3.2 金属陶瓷复合涂层 7
1.4铝合金中的析出相 8
1.4.1 高强铝合金中的沉淀强化相 8
1.4.2 铝合金中的微量合金相 10
1.5 2219高强铝合金成分及力学性能 11
1.6铝合金的耐蚀性 12
1.6.1 腐蚀类型 12
第二章 试验材料、设备与方法 14
2.1 试验材料 14
2.2 试验设备 14
第三章 实验结果及数据分析 17
3.1参数测试实验 17
3.2激光重熔实验 20
3.3金相观察及扫描电子显微镜 22
3.3.1金相试验 22
3.3.2扫描电镜分析试验 24
3.3.3 激光重熔表面腐蚀性试验 26
3.3.4 激光重熔对2219铝合金腐蚀性能的影响 26
结 论 28
致 谢 29
第一章 绪 论
1.1 课题背景
表面激光重熔技术（LSM）是使用能量很高的激光能量束改变材料近表层的组织结构特征、成分分布，形成晶体组织结构、元素成分较为均匀的表面近层，使大量弥散相消失，从而使材料的耐腐蚀性能得到提高[3]。相较于其他的传统表面处理方法，激光表面重熔技术还具有以下特点：1.激光加热速度快；2.母材冷却速度快；3.对母体材料的热影响小；4.重熔后能够改进母材的表面性能，使母料的耐腐蚀性能得到较大幅度的提高[4]。
2219铝合金具有较小的密度、较高的比刚度和比强度高等一系列优秀性质，因此在国防建设以及工农业生产中得到广泛应用。不过2219铝合金的硬度一般以及较差的耐磨性很大程度上限制了铝合金进一步运用于工业生产中。为使铝合金的使用范围扩大，我们一般会使用一定的用表面处理方法从而提升铝合金耐磨性以及耐腐蚀性能[5]。不过常规表面处理如表面氧化、气相沉积及电解池电镀等方法获得的一层相对比较包的强化层(一般为几百个μm)，而且强化层与母材之间的结合方式为机械或者扩散结合，其结合强度不高，易于引起开裂和剥落。其次，要想形成连续的氧化膜，通过阳极氧化法的方法在铝材上并不能达到预期的效果，以至于对母材起不到效果很好的保护效果；但是铬酸盐的有较大的毒性，会导致环境受到严重污染和甚至人类健康受到不同程度损害。激光束能够获得较高的能量密度是因为其拥有1、良好的方向性，2、良好相干性，3、通过激光的聚焦[6]。因此可以用特定的方法对试样表面进行较短时间的处理。作为一种较理想的热输出，激光束已被广泛用于材料的表面改性工程中。激光重熔技术的研究工作开始于二十世纪六十年代，但是到二十世纪七十年代初期制作出较大功率激光器之后，表面激光处理技术才慢慢获得实际方面的使用，并且在最近的几十年内获得快速的发展。关于激光表面处理方法，是在母材表层构成一定深度的熔覆层，以改善母材表面的力学性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。相较于传统表面处理方法，激光重熔对母材的热影响很小，因而母材的不会有太大的应力变形，还可以使母材组织结构细化、更致密。相较于电子束等高能量密度源，有一下优点：1、激光处理时无需真空工作室；2、被处理的母材的导电性对实验没有影响。当前常用于铝合金的常用表面改性方法有激光重熔、激光合金化和激光填料熔覆 等激光处理方法[7]。
1.2 激光
激光是一种接受能量刺激并使之放大的光源，有以下特殊性能：高亮度、高方向性、高单色性以及高相干性[8]。激光重熔表面技术起始在二十世纪六十年代左右，也就是诞生第一台红宝石激光器以及大功率激光器的制作成功并且应用于试验中的时候，激光技术在日常生活中的应用越来越广泛得益于激光在母材加工中具有如下特点：能量传送便捷、能量集中，处理时间较短、处理速度很快、几乎没有污染以及简单的操作方式方法等。激光表面改性技术是采用大功率密度的激光束以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，使金属材料表面瞬间被加热或熔化后快速冷却，来引起起表面改性的处理手段。激光重熔是一种对母材部分区域改性工艺方法，可以预见激光重熔的是未来工业生产将有巨大市场前景的表面改性技术之一，如果能够在机械、电子器械、航空设备、兵器、汽车等制作领域广泛地使用，将会产生巨大的的经济效益和社会效益。
通常可以用于表面激光处理的材料有铝合金、钛合金、镁合金和铜合金等。激光表面改性方式的选择是依据材料各自的不同性质来选择的。目前，激光表面重熔、激光表面合金化、激光表面熔覆、激光冲击硬化等表面激光改性技术最为常见。我们怀着使一些表面性能差和价格便宜的母材金属表层上获得耐磨、耐蚀和耐高温的等特性，以至于一方面节约成本，另一方面满足工作需求这些激光表面改性方法目的在于。本篇文章对激光重熔技术在常见2219铝合金材料上的应用进行了简单的实验，并对2219铝合金激光重熔技术做出了相当程度展望。
1.3 激光技术
1.3.1 激光重熔技术
1.3.1.1 激光表面重熔技术
激光表面重熔技术是利用高能量的激光束照射在材料的表面，使其在一定厚度内快速熔化并快速冷却，以获得均匀的组织结构以及成分分布，并因此提高工件的耐磨、耐蚀以及耐疲劳等性能[9]。激光束可以做为十分理想的热源是因为其具有优异的方向性和相干性，而且可以采用聚焦的方式以获得高能量密度，因此可以用它在短时间内对材料表面进行相应的处理。如今我们虽然已经将激光技术广泛运用于各种材料表面的工艺处理当中。但是我们可以见到激光表面重熔工艺发展非常慢速。虽然我们从上个世纪六十年代就开始研究这项技术，但是这项技术的真正实际运用以及最近几十年的飞速发展还得归功于七十年代初研制出来的大功率的激光发射器[10]。现如今已被广泛用于材料表面的处理工程之中。相较于其他表面处理措施及手段，这种激光处理对材料基体的热影响更小，所以工件的变形会更小，而且还能形成细化、致密的组织。除此以外，激光重熔技术
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景 1
1.2 激光 2
1.3 激光技术 3
1.3.1 激光重熔技术 3
1.3.1.1 激光表面重熔技术 3
1.3.1.2 激光器与铝合金表面的作用机制 4
1.3.1.3 激光处理三种强化机制 5
1.3.2 激光表面合金化 6
1.3.3 激光表面熔覆 6
1.3.3.1 金属基复合材料涂层 7
1.3.3.2 金属陶瓷复合涂层 7
1.4铝合金中的析出相 8
1.4.1 高强铝合金中的沉淀强化相 8
1.4.2 铝合金中的微量合金相 10
1.5 2219高强铝合金成分及力学性能 11
1.6铝合
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
6
1.3.3.1 金属基复合材料涂层 7
1.3.3.2 金属陶瓷复合涂层 7
1.4铝合金中的析出相 8
1.4.1 高强铝合金中的沉淀强化相 8
1.4.2 铝合金中的微量合金相 10
1.5 2219高强铝合金成分及力学性能 11
1.6铝合金的耐蚀性 12
1.6.1 腐蚀类型 12
第二章 试验材料、设备与方法 14
2.1 试验材料 14
2.2 试验设备 14
第三章 实验结果及数据分析 17
3.1参数测试实验 17
3.2激光重熔实验 20
3.3金相观察及扫描电子显微镜 22
3.3.1金相试验 22
3.3.2扫描电镜分析试验 24
3.3.3 激光重熔表面腐蚀性试验 26
3.3.4 激光重熔对2219铝合金腐蚀性能的影响 26
结 论 28
致 谢 29
第一章 绪 论
1.1 课题背景
表面激光重熔技术（LSM）是使用能量很高的激光能量束改变材料近表层的组织结构特征、成分分布，形成晶体组织结构、元素成分较为均匀的表面近层，使大量弥散相消失，从而使材料的耐腐蚀性能得到提高[3]。相较于其他的传统表面处理方法，激光表面重熔技术还具有以下特点：1.激光加热速度快；2.母材冷却速度快；3.对母体材料的热影响小；4.重熔后能够改进母材的表面性能，使母料的耐腐蚀性能得到较大幅度的提高[4]。
2219铝合金具有较小的密度、较高的比刚度和比强度高等一系列优秀性质，因此在国防建设以及工农业生产中得到广泛应用。不过2219铝合金的硬度一般以及较差的耐磨性很大程度上限制了铝合金进一步运用于工业生产中。为使铝合金的使用范围扩大，我们一般会使用一定的用表面处理方法从而提升铝合金耐磨性以及耐腐蚀性能[5]。不过常规表面处理如表面氧化、气相沉积及电解池电镀等方法获得的一层相对比较包的强化层(一般为几百个μm)，而且强化层与母材之间的结合方式为机械或者扩散结合，其结合强度不高，易于引起开裂和剥落。其次，要想形成连续的氧化膜，通过阳极氧化法的方法在铝材上并不能达到预期的效果，以至于对母材起不到效果很好的保护效果；但是铬酸盐的有较大的毒性，会导致环境受到严重污染和甚至人类健康受到不同程度损害。激光束能够获得较高的能量密度是因为其拥有1、良好的方向性，2、良好相干性，3、通过激光的聚焦[6]。因此可以用特定的方法对试样表面进行较短时间的处理。作为一种较理想的热输出，激光束已被广泛用于材料的表面改性工程中。激光重熔技术的研究工作开始于二十世纪六十年代，但是到二十世纪七十年代初期制作出较大功率激光器之后，表面激光处理技术才慢慢获得实际方面的使用，并且在最近的几十年内获得快速的发展。关于激光表面处理方法，是在母材表层构成一定深度的熔覆层，以改善母材表面的力学性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。相较于传统表面处理方法，激光重熔对母材的热影响很小，因而母材的不会有太大的应力变形，还可以使母材组织结构细化、更致密。相较于电子束等高能量密度源，有一下优点：1、激光处理时无需真空工作室；2、被处理的母材的导电性对实验没有影响。当前常用于铝合金的常用表面改性方法有激光重熔、激光合金化和激光填料熔覆 等激光处理方法[7]。
1.2 激光
激光是一种接受能量刺激并使之放大的光源，有以下特殊性能：高亮度、高方向性、高单色性以及高相干性[8]。激光重熔表面技术起始在二十世纪六十年代左右，也就是诞生第一台红宝石激光器以及大功率激光器的制作成功并且应用于试验中的时候，激光技术在日常生活中的应用越来越广泛得益于激光在母材加工中具有如下特点：能量传送便捷、能量集中，处理时间较短、处理速度很快、几乎没有污染以及简单的操作方式方法等。激光表面改性技术是采用大功率密度的激光束以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，使金属材料表面瞬间被加热或熔化后快速冷却，来引起起表面改性的处理手段。激光重熔是一种对母材部分区域改性工艺方法，可以预见激光重熔的是未来工业生产将有巨大市场前景的表面改性技术之一，如果能够在机械、电子器械、航空设备、兵器、汽车等制作领域广泛地使用，将会产生巨大的的经济效益和社会效益。
通常可以用于表面激光处理的材料有铝合金、钛合金、镁合金和铜合金等。激光表面改性方式的选择是依据材料各自的不同性质来选择的。目前，激光表面重熔、激光表面合金化、激光表面熔覆、激光冲击硬化等表面激光改性技术最为常见。我们怀着使一些表面性能差和价格便宜的母材金属表层上获得耐磨、耐蚀和耐高温的等特性，以至于一方面节约成本，另一方面满足工作需求这些激光表面改性方法目的在于。本篇文章对激光重熔技术在常见2219铝合金材料上的应用进行了简单的实验，并对2219铝合金激光重熔技术做出了相当程度展望。
1.3 激光技术
1.3.1 激光重熔技术
1.3.1.1 激光表面重熔技术
激光表面重熔技术是利用高能量的激光束照射在材料的表面，使其在一定厚度内快速熔化并快速冷却，以获得均匀的组织结构以及成分分布，并因此提高工件的耐磨、耐蚀以及耐疲劳等性能[9]。激光束可以做为十分理想的热源是因为其具有优异的方向性和相干性，而且可以采用聚焦的方式以获得高能量密度，因此可以用它在短时间内对材料表面进行相应的处理。如今我们虽然已经将激光技术广泛运用于各种材料表面的工艺处理当中。但是我们可以见到激光表面重熔工艺发展非常慢速。虽然我们从上个世纪六十年代就开始研究这项技术，但是这项技术的真正实际运用以及最近几十年的飞速发展还得归功于七十年代初研制出来的大功率的激光发射器[10]。现如今已被广泛用于材料表面的处理工程之中。相较于其他表面处理措施及手段，这种激光处理对材料基体的热影响更小，所以工件的变形会更小，而且还能形成细化、致密的组织。除此以外，激光重熔技术
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