为提高镁合金表面硬度和耐磨性,采用激光熔覆技术在镁合金表面制备Al-Si共晶合金涂层,系统分析了涂层的硬度和耐磨性变化特征。研究结果表明,涂层主要相组成为Mg2Si、Mg17Al12和Mg2Al3,显微组织为方向紊乱的树枝晶。涂层硬度高达350～450 HK,较原始镁合金的硬度(80 HK)提高340%～462%。涂层的摩擦系数与原始镁合金相同,均为0.3左右。由磨痕宽度换算成磨损体积得到涂层磨损体积为4×10-3 mm3,而原始镁合金磨损体积为67×10-3 mm3,与原始镁合金相比,涂层的耐磨性提高74%～92%。

采用激光熔覆技术在镁合金表面制备Al-Si共晶合金涂层，系统分析了激光功率对涂层凝固组织的影响规律。X射线研究结果表明，涂层主要相组成为Mg2Si、Mg17Al12 和密排六方的Mg2Al3，当激光功率为2.5 kW时由于稀释率较低，涂层中除了密排六方的Mg2Al3，还存在面心立方的Mg2Al3；当激光功率为4.0 kW时由于稀释率增加，出现α-Mg固溶体。结合扫描电镜和电子探针分析结果发现，激光功率为3.0 kW和3.5 kW涂层的凝固组织在Mg17Al12韧窝上分布的为Mg2Si枝晶组织和白色针状的Mg2Al3；当激光功率为2.5 kW时，在Mg17Al12韧窝上出现了花瓣状、面心立方的 Mg2Al3；借助透射电镜分析得到激光功率为4.0 kW时Mg2Si枝晶间的灰区基体上存在α-Mg固溶体。

为提高医用镁合金的生物相容性,采用激光熔覆技术在镁合金表面制备羟基磷灰石( HA) 生物陶瓷涂层。研究结果表明,所制备的羟基磷灰石涂层与基体镁合金呈牢固的冶金结合,涂层相组成为具有较好生物相容性的HA和Ca3(PO4)2(β-TCP);血液相容性结果表明,涂层的凝血酶原 (PT)时间约为19.508 s,而镁合金的PT值约为11.025 s,涂层的抗凝血性能远远高于镁合金;细胞培养试验结果表明,成骨细胞呈长条形和多角形均匀地铺在HA涂层表面,多见成群聚集状,这表明所制备的HA涂层是适宜成骨细胞增殖及分化的材料,具有很好的细胞相容性。

为提高镁合金表面耐磨蚀性, 在真空条件下对AZ91HP 镁合金进行激光熔凝处理。在固定激光功率和光斑直径条件下, 分析激光扫描速度对熔凝层组织和性能的影响规律。研究结果表明, 随激光扫描速度增加, 硬质相β-Mg17Al12含量逐渐降低, 熔凝层枝晶逐渐细化;由于细晶强化作用, 熔凝层硬度和耐磨性均较原始镁合金显著增加。随激光扫描速度增加, 熔凝层的硬度, 耐磨蚀性得到提高。

采用激光熔凝技术处理镁合金, 系统分析了激光熔凝处理后熔凝层组织变化特征。研究结果表明, 激光熔凝处理后, 熔凝层相组成仍为α-Mg和β-Mg17Al12, 其中β相含量较原始镁合金有所提高。熔凝层组织呈明显的树枝晶形貌特征, 较原始镁合金晶粒显著细化, 且沿熔凝层深度增加, 枝晶尺寸逐渐增大。透射电镜分析进一步证明了熔凝层由密排六方结构的α-Mg和体心立方结构的β-Mg17Al12组成, 其中β相呈板条状、短柱状和六棱柱状多种形态析出。另外, 当激光功率从2 kW增加到5 kW时, 熔凝层中β含量和枝晶尺寸均增加, 且枝晶长度方向的增加幅度约为宽度方向上增加幅度的10 倍。在枝晶细化和沉淀强化综合作用下, 熔凝层的耐磨性较原始镁合金有显著提高。

采用宽带激光熔覆技术在 AZ91HP镁合金表面制备 Al-Cu合金涂层。研究结果表明, 在不同激光功率下由于基体镁合金对熔覆材料 Al-Cu合金的稀释作用, 所制备的涂层主要由 Mg、Al、Cu三种元素所形成的晶体相组成。当激光功率为 2.5 kW时, 涂层主要由 Mg17Al12、AlMg、AlCu4组成。但随功率的增加, 基体镁元素对涂层的稀释率增大, 涂层中的 Mg金属间化合物比例逐渐增大, 当功率达到 3.5 kW时, 涂层全部由 Mg金属间化合物构成。在其他参数固定情况下, 随激光功率增加, 涂层的硬度、耐磨蚀性有所不同, 其中激光功率为 2.5 kW所制备的涂层具有最佳的硬度和耐磨蚀性。

为了提高医用镁合金的表面耐蚀性和生物相容性,采用激光技术在镁合金表面制备羟基磷灰石(HA)涂层。研究主要采用如下两种方法制备HA涂层:激光熔覆法;等离子喷涂+激光重熔法。研究结果表明,由于镁合金和HA的物化差异较大,采用激光熔覆法所制备的涂层为不连续的泪珠状,成型非常困难,涂层中镁稀释较大,严重影响涂层的耐蚀性和生物相容性;然而采用等离子喷涂+激光重熔处理则较易在镁合金表面制备HA涂层,涂层连续且无剥落,相组成为生物相容性较好的HA和少量的Ca3(PO4)2(TCP),涂层表面存在一些有利于骨长入的裂纹和孔隙。所以,采用等离子喷涂+激光重熔能够在医用镁合金表面制备生物相容性和耐蚀性较好的HA涂层。

为了研究不同激光工艺参量对镁合金熔凝层组织和性能的影响,采用高功率快速扫描(13J/mm2~33J/mm2)和低功率慢速扫描(100J/mm2~250J/mm2)两套能量密度相差较大的激光熔凝技术对镁合金表面进行真空激光熔凝处理。结果表明,两套激光工艺处理下熔凝层均由α-Mg和β-Mg17Al12相所组成,但β-Mg17Al12所占的比例在低功率慢速扫描下较高,约为16%;熔凝层组织均为典型的树枝晶,高功率快速扫描熔凝层枝晶尺寸远远小于低功率慢速扫描熔凝层的枝晶尺寸;在高功率快速扫描处理工艺下,熔凝层的硬度、耐磨性分别是低功率慢速扫描处理下熔凝层的1.5倍和3倍;高功率快速扫描处理下熔凝层的耐蚀性也较低功率慢速扫描处理下熔凝层的耐蚀性显著提高。

在采用团簇线判据优化设计Cu-Zr-Al非晶合金成分的基础上，采用激光熔覆技术在AZ91HP镁合金表面制备了Cu-Zr-Al合金涂层。研究结果表明，合金涂层是由非晶、Cu8Zr3和Cu10Zr7相所组成。通过X射线峰位分离计算表明，随着扫描速度增加，由于熔覆区冷却速率增大，稀释度降低，致使合金涂层中非晶相的相对含量上升，其最高质量分数可达61％。同时，由于金属间化合物的增强作用随着扫描速度的增加而减弱，致使合金涂层的硬度、弹性模量、耐磨性降低，而耐蚀性增高。

在真空条件下对AZ91HP镁合金进行了高功率激光熔凝处理。研究结果表明,在高功率激光快速扫描下,熔凝层主要由分布于α-Mg枝晶间的板条状β-Mg17Al12构成,硬质相β-Mg17Al12含量较原始镁合金有所增加。随激光功率增加,熔凝层树枝晶尺寸逐渐增大,且长度方向上的增加幅度约为宽度方向上增加幅度的10倍。由于枝晶细化和β-Mg17Al12的强化作用,与原始镁合金相比,熔凝层的硬度约提高90%左右,耐磨性提高78%,耐蚀性显著提高。