[发明专利]一种在高能束流加工中抑制镁合金元素烧损的方法

说明书

技术领域

本发明属于镁基轻质合金加工领域，具体涉及一种在高能束流加工中抑制镁合金元素烧损、维持镁合金成分的方法，该方法适用于所有体系镁合金零部件的高能束流加工。

背景技术

镁合金是密度最低的常用工程材料，因具有优良的比强度、电子屏蔽能力与阻尼性能，以及易机械加工、可循环利用、生物兼容等特点，在航空航天、汽车制造、电子和医学等领域拥有广阔的发展空间。

镁合金零部件传统加工方法分为铸造和塑性加工两种，其中铸造是主要成形方法，包括压铸、砂型铸造、消失模铸造和金属型铸造等。但由于镁合金活性高且液相粘度低，铸造零件易产生气孔、氧化、疏松和冷隔等缺陷，且组织粗大、成分偏析严重。锻造、挤压、轧制等塑性加工方法也被用于镁合金零部件成形，然而受自身密排六方结构限制，镁合金塑性变形困难，加工需要在200-500℃进行，成形效率低，目前塑性加工零部件不到镁合金产品总量的2％。因此，开发镁合金零部件加工新方法成为镁合金发展的当务之急。

以激光、等离子体、电弧、激光-电弧复合等为能量源的高能量密度束流加工技术，具有非接触、柔性化程度高、热影响区小、效率高、加工后组织细小等优点，有望兼顾镁合金零部件性能、精度及加工效率，弥补传统加工方法的不足。例如，专利文献“镁合金激光-TIG焊接方法”(公开号CN 1526507A)公开了一种镁合金激光焊接方法。该方法针对镁合金型材与铸件，利用激光与交流TIG有机匹配进行焊接，大幅度提高了镁合金焊接的效率。

然而，镁合金材料中的镁元素与合金添加元素在物理化学性质上存在较大区别。一方面，镁元素熔沸点较低，常压下仅有650℃与1093℃，气化潜热仅为5.272kJ/kg；另一方面，镁元素在其熔化温度范围内的饱和蒸气压远大于其他添加元素，高能束流加工所形成的高温熔池内部将不可避免的发生镁元素选择性烧损。高能束流加工镁合金过程中，镁元素烧损带来的最大问题是加工区域的成分发生改变以及气孔等缺陷的形成，从而影响零部件的最终性能。如文献【D.Dubé，M.Fiset，A.Couture，I.Nakatsugawa.Characterization and performance of laser melted AZ91D and AM60B.Material Science&EngineeringA，2001，299(1-2)：38-45】介绍了镁合金AZ91D与AM60B的激光焊接，但由于镁元素的烧损，焊缝组织出现了富铝区域，焊接性能下降。文献【Baicheng Zhang，Hanlin Liao，Christian Coddet.Effects of processing parameters On properties Of selective laser melting Mg-9％A1 powder mixture.Materials and Design，2012，34：753-758】研究了镁-铝混合材料的激光增材制造，同样由于镁元素的烧损，制品表面质量差，致密度极低。此外，镁元素的烧损通常会产生大量易燃粉尘，增大高能束流加工过程的危险性。

目前研究者主要针对高能束流加工过程中熔池内部气态镁分子通过气相边界层扩散至气相并从熔池溢出的问题，通过降低高能束流能量密度，降低了熔池温度，缩短了熔池存在时间，使气态镁分子扩散及溢出时间减少，从而抑制镁元素的烧损。然而，一方面，该方法仅能从动力学角度限制镁蒸气的溢出时间，为保证镁合金中其他添加元素的充分熔化，熔池温度通常高于镁元素沸点，镁的蒸发反应仍在液/气相界面进行，镁元素的烧损依然存在；另一方面，由于高能束流能量密度下降，高能束流作用区域减小，加工效率降低。例如文献【薄板AZ31B镁合金Nd：YAG脉冲激光焊接的研究，太原，太原理工大学硕士学位论文，2010】中，研究者在保证焊缝熔透的条件下尽量采用低的激光峰值功率，高的焊接速度，以降低镁元素的烧损。但镁元素的烧损依然存在，并导致了焊缝的下陷。文献【镁合金厚板激光焊缝组织及抗拉强度研究，激光技术，第35卷第2期，2011】更是直接指出，单纯改变高能束流能量密度的方法无法有效抑制镁元素的烧损。该文通过对因元素烧损产生的焊缝凹陷区域进行补焊，保证了焊缝的性能。然而，补焊过程无疑降低了加工效率。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种在高能束流加工中抑制镁合金元素烧损的方法，本发明操作简便，能够有效抑制元素的烧损，保证所加工镁合金零部件的成分和性能。