激光加工引發了關于改善材料表面性能的大量研究活動。以前的研究人員發現，金屬合金的表面性能，如耐磨性和耐腐蝕性，由于與激光加工相關的快速凝固后的精細顯微結構和富集的合金元素而顯著提高。

為了在實際工程應用中將激光技術應用于大型表面部件，通常需要使用掃描激光束多次通過重疊相鄰跡線以產生區域覆蓋。人們早就意識到，激光束重疊可能在影響激光處理材料的最終表面性能方面發揮重要作用。

然而，到目前為止，還沒有集中精力研究激光束重疊對熔池中凝固微觀結構演化動力學的影響。本研究的目的是研究重疊軌跡如何影響最佳掃描速度下激光熔化AZ91D鎂合金的傳熱和液體流動、微觀結構演變以及電化學行為。

所研究的材料是鑄態AZ91D鎂合金，其化學成分(wt%)：Al 8.97、Zn 0.78、Mn 0.31、Si 0.023、Cu 0.002、Ni 0.0005，其余為鎂。從鑄錠中取出 20 毫米 x 30 毫米 x 3 毫米的試樣，用逐漸變細的 SiC 紙（180、400、800、1200、2400 和 4000 粒度）研磨，用酒精清潔，然后用 Lumonics JK702 Nd 照射：高純氬氣保護下的YAG激光系統（波長為1064 nm）。固定的激光參數為功率密度3.82 × 102*2 W/cm2，掃描速度10mm/s，頻率100Hz，脈沖持續時間1 ms。激光加工過程中重疊率從25%到90%不等，如圖1所示。該研究選取了四個標為E、F、G和H的試樣，重疊率分別為25%、50%、75 % 和 90%。激光器在近 TEM00 模式下運行，光束散焦至直徑為 1毫米（兩個后續軌道之間的距離約為 500 微米）。

▲圖1. 激光表面熔化過程示意圖

▲圖2. 激光熔化前后 AZ91D 鎂合金表面顯微組織演變的頂視圖掃描電子顯微圖

▲圖3. 透射電子顯微鏡顯示 AZ91D 鎂合金在激光熔化前后隨著重疊率的增加而凝固組織：(a) 合金原樣；(b) E; (c) F；(d) G. 來自這些顆粒之一的 SAD 圖案，表現出 β-Mg17Al12 結構

通過檢查AZ91D樣品熔化后的橫截面圖，研究人員發現軌跡之間的重疊程度越大，凝固過程中產生的小裂紋數量就越少。在處理用于接觸液體的金屬時，應該考慮這一發現，比如那些將用于生物植入的金屬。

此外，基于 EDS 測量的化學成分定量分析發現，隨著重疊率的增加，重疊區域的平均 Al 濃度從 11.5 wt% 增加到 16.7 wt%，而平均 Mg 濃度同時從 87.1 wt% 減少到 82.2 wt%?；瘜W成分變化的原因是由于合金元素在激光加工過程中隨著重疊率的增加而增強的選擇性汽化。

▲圖4. 輻照后 AZ91D 鎂合金的橫截面圖，重疊率增加 (a) E (b) F (c) G 和 (d) H

▲圖5. 激光熔體 AZ91D 鎂合金凝固組織截面圖的掃描電子顯微照片，重疊率增加：(a) E (b) F (c) G 和 (d) H。還顯示了這些區域的高倍放大圖像。

根據該團隊的模型，更大程度的重疊提供了更多的熱量，從而改善了熔融液體中金屬的對流并產生了更均勻的表面。該團隊的電化學測試還證實，材料表面越均勻，就越耐腐蝕。該團隊的方法，尤其是理論模型，適用于評估其他合金和化合物的激光加工。由于表面結構不僅會影響機械和化學特性，還會影響電子、熱和光學參數，因此這些發現將與用于各種應用的金屬相關。