镁合金薄板激光冲击高应变率温成形及改性基础研究

针对镁合金室温变形困难、应力腐蚀严重、疲劳裂纹扩展速度快，本项目提出利用激光冲击波力效应实现镁合金薄板温成形新方法。镁合金适合采用温成形技术，温激光冲击的动态应变时效作用比冷激光冲击有较高的残余压应力的热稳定性，赋予镁合金板料激光冲击温成形方法研究的重要意义和应用前景。项目研究激光冲击温成形中应力场、温度场和速度场及影响规律；研究薄板各向异性对温成形影响；研究镁合金薄板温成形极限及其极限判据理论和极限图FLD；研究激光冲击镁合金变形机理和温成形与强化协调理论；研究激光冲击后微观组织演变规律、材料改性原理以及温度和表面残余应力的内在关联。本项目在激光诱导冲击波的温成形方法、激光冲击温成形与强化协调理论、激光冲击温成形机制、变形机理和温成形极限理论方面有明显的创新。本项目为实现成形和材料改性双重效果，完善塑性技术与理论，获得高表面性能要求的成形结构件提供理论依据和技术支持。

激光冲击温成形（WLSF）是集材料改性和成形于一体的复合成形技术。本项目选取具有良好温深冲性能的AZ31镁合金薄板为研究对象，系统研究了室温~300℃区间合金超高应变速率激光冲击成形性能、变形机理、结构演变和冲裂机制以及试件表层残余应力，其中室温和300℃时残余压应力值分别高达150MPa和232MPa，WLSF提供更稳定的高幅值残余压应力。同时结合钼带和钛带两种材料，探讨了不同晶体结构材料激光冲击成形机理和冲裂机制，镁合金属于厚度减薄机制和层裂机制。以AZ31和AZ80镁合金及马氏体不锈钢为研究对象，在室温~300℃区间进行了激光冲击温强化(WLSP)，对比研究了残余应力、疲劳性能、力学性能及表面结构，探讨了温强化机理和疲劳机制。性能测试结果表明，温强化效果好于室温强化，温强化可使AZ80合金疲劳寿命提高到64%，残余压应力、析出相或强化相是温强化提高的主要诱因。对比测试和数值模拟结果，分析了WLSF和WLSP试件表层和厚向残余应力场。系统地研究了AZ系列镁合金织构、析出相和晶粒尺寸对合金的激光冲击强化（LSP）及应力腐蚀和电化学腐蚀的影响，包括WLSF表层和次表层的耐腐蚀性，讨论了腐蚀机理及其影响因素。在WLSP过程中合金发生动/静态再结晶，析出不同位相和不同形状的β相，产生大量高密度的孪晶和位错缠结以及纳米级相。通过预时效+LSP+后时效方法，研究了材料残余压应力、孪晶和位错的热稳定性及其对性能的影响。设计了激光冲击温强化或温成形用加热装置。约束层是激光冲击温强化的核心问题，光学玻璃约束层无法实施冲击连续性，而高温硅油是最具有开发价值的约束层，需要专用硅油过滤循环装置，这是本项目可持续的未来研究方向。