ZL114A铝合金表面激光熔覆层组织及性能研究

第２８卷　第７期　Ｖｏｌ－２８　Ｎｏ．７　文章编号：１００７—１　１８０（２０１　１）０７—０００８—０８　ＺＬ　１　１　４Ａ铝合金表面激光熔覆层组织　及性能研究　梁艳龙　，于玮　（１．华北光电技术研究所，北京　１０００１５；　２．华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉４３００７４）　摘　要：为了增强铝合金表面硬度，应用激光表面强化技术，将按一定成分配比的３种不同厚度的Ａｌ—Ｙ—Ｎｉ　粉末熔覆ＺＬ１１４Ａ表面上，形成与基体冶金结合的熔覆层。结果表明，当预制涂层厚度为０．２　ｍｍ时．在一定　激光工艺参数下，涂层硬度提高近６０％　关键词：激光熔覆：３＿１一Ｙ—Ｎｉ：硬度　中图分类号：ＴＧ１５６．９９　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３７８８／０ＭＥＩ２０１　１２８０７．０００８　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｌａｓｅｒ　Ｃｌａｄｄｉｎｇ　Ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｆｏｒ　ＺＬ１　１　４Ａ　Ａｌｌｏｙｓ　ＬＩＡＮＧ　Ｙａｎ—Ｌｏｎｇ　，ＹＵ　Ｗｅｉ　（１．Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏ—Ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆＳｃｉｏｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　Ａ１一Ｙ—Ｎｉ　ａｌｌｏｙ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｏｎ　ＺＬ１　１４Ａ　ａｌｌｏｙ　ｂｙ　ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｌｙ　ｂｏｎｄｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　０．２　ｍｍ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｌａｙｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｎｅａｒｌｙ　ｉｍ一　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　６０％ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗａｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ　ｃｌａｄｄｉｎｇ；Ａ１一Ｙ—Ｎｉ；ｈａｒｄｎｅｓｓ　８　ＷＷＷ．ｏｍｅｉｎｆｏ．ｃｏｒｎ　Ｊｕｌｙ　２０１１　第２８卷第７期　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．７　１　引　言　表４所示。利用Ａｘｉｏｖｅｒｔ　２００　ＭＡＴ金相显微镜、　ＨＶ一１０００型显微硬度计对试样进行了金相分析和硬　度测试。　铝及铝合金已成为了继钢铁之后的第二大金属　材料，而且其需求正在不断上升ｌｌ＿３ｌ。然而，实际应用　中，铝合金也存在诸多问题，如：硬度较低、摩擦系　数高、磨损大、耐磨性差、易产生塑性变形等等，这　在很大程度上限制了铝合金的应用范围。高强铝合金　的成功开发可以满足上述条件　，但同时，很多场合　下铝合金结构件仅仅需要具有高强度、耐腐蚀性的表　面层来满足比较苛刻的条件，因此。在普通铝合金表　面制备出高性能的耐磨层是一种经济且简易实用的有　效方法Ｉ６１。本文基于这一思想，将３种不同配比的　ＡＩ＋Ｙ＋Ｎｉ粉末预制在ＺＬ１　１４基体上。利用激光热源将　其熔覆并形成与基体冶金结合的熔覆层，研究熔覆层　组织及性能．并分析了缺陷形成的原因。　图１　ＹＡＧ　ＨＧＷ一３００型激光加工器　２试验方法与内容　采用ＹＡＧ　ＨＧＷ一３００型激光加工器，如图１所　示。该激光加工机最大工作电压为４００　Ｖ，最大脉宽　为２０　ｍｓ．最小光斑直径为０．３　ｍｍ。选用ＺＬ１１４Ａ　（表ｌ为其化学成分，图２为其金相显微组织）为激　光熔覆的基体材料，该铝合金具有良好的流动性、抗　热裂性和良好的焊接性能，在航空航天和民用工业中　图２　ＺＬ１　１４Ａ金相显微组织　表１　ＺＬ１　１４Ａ合金成分（质量分数。％）　应用广泛。选用熔覆材料粉末为ＡＩ＋Ｙ＋Ｎｉ，为了便于　激光熔覆过程的进行，还加入了兼具吸光与渣冶金作　用的辅助材料。其各自成分及特点如表２，表３和　表２　（ｂ）Ａｌ、Ｙ、Ｎｉ元素的物化参数　表３涂层材料选ｇ］ＣａＦ２、ＬｉＦ、ＭｇＦ２的物化参数　表４熔覆层粉末配制比例　Ｊｕｌｙ　　２　０１１　●　第２８卷　第７期　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．７　度分布不是很均匀．在该试样的左侧硬度值相对于　右侧的硬度偏低，但整体硬度较高，最高硬度值为　５９　ＨＶ，平均硬度＞５２　ＨＶ，相对于ＺＬ１１４Ａ有明显的　提高。图９（ｂ）中熔覆区内硬度分布不是很均匀，在　熔覆区中部的硬度值最高．最高硬度值为６０　ＨＶ，平　均硬度＞５４　ＨＶ。由硬度曲线可知，该试样组织变化　比较急促，这可能是由于熔覆层合金元素分布不均　匀导致的　图８　维氏硬度图片　》　＞　Ｚ　＼　（１ｆ）横向硬度分布情况　图９　１＃试样硬度分布情况　（ｂ）纵向硬度分布情况　》　士　＼　（ａ）横向硬度分布情况　图１０　２＃试样硬度分布情况　（ｂ）纵向硬度分布情况　＞　＼　＼　蝌　（ａ）横向硬度分布情况　图１１　３＃试样硬度分布情况　（ｂ）纵向硬度分布情况　ｕｌｙ　２０１１　Ｊ　！　＿　！曼：第２８卷第７期　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．７　对２＃试样（涂层厚度为０．２　ｍｍ　Ｖｓ＝３　ｍｍ／ｓ，原　子配比为Ａｌ，９Ｙ　Ｎｉ　），从横向硬度分布可知，熔覆　层硬度分布均匀，硬度较高。最高硬度值为５３　ＨＶ，　平均硬度＞５１　ＨＶ．相对于ＺＬ１１４Ａ有明显提高。从纵　向硬度分布可知，熔覆层硬度分布均匀。硬度较高，　最高硬度值为５３　ＨＶ，平均硬度＞５０　ＨＶ。因此，由硬　度曲线可知该试样组织变化比较平缓。　３＃试样（涂层厚度为０．２　ｍｍ，Ｖ　＝４　ｍｍ／ｓ，原子　图１２　１＃试样中的偏析现象　配比为Ａｌ　Ｙ　Ｎ　），该试样的横向硬度分布情况和　２＃试样比较相似，熔覆层硬度分布均匀，硬度较高，　最高硬度值为５５　ＨＶ，平均硬度＞５１　ＨＶ，但其在熔　覆层内部硬度出现一较低值，这可能是由于气孑Ｌ的　影响。由纵向硬度图可知，熔覆层从表面到根部硬　度分布也很均匀，硬度值较高．最高值为５５　ＨＶ，平　均硬度＞５２　ＨＶ。因此，由硬度曲线可知，该试样组　织变化比较平缓。　图ｌ３　２＃试样中的偏析现象　由以上分析可知：熔覆层内部硬度较为均匀，　合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象　平均硬度在５４　ＨＶ左右．母材的硬度在３９　ＨＶ左右，　称为偏析。焊接熔池一次结晶过程中，由于冷却速　熔覆层内的硬度是母材硬度的ｌ－４倍左右。　度快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，　不同工艺参数、不同粉末配方所形成的熔覆层　造成分布不均，产生偏析。这也说明焊缝金属的凝　的硬度数值差别较大，但硬度的分布规律基本相同，　同过程并非是连续而均匀的，而应是断续的过程。　即熔覆层表面硬度较低。从表面到根部硬度呈上升　快速凝固时析出潜热及熔滴过渡带来的附加热　趋势。由于熔池内部宏观偏析，熔覆层中缝处溶质　脉冲等，是促使成长速度尺发生变化以及凝固过程　含量较高，硬度较高。　发生瞬间停顿的主要原因。成长中柱晶前沿的温度　在相同的熔覆成分条件下．不同的激光熔覆工　梯度Ｇ较大时，结晶潜热或其他附加热作用容易使　艺对熔覆层组织及性能有明显影响　激光扫描速度　柱晶前沿的温度急剧升高，而易于促使凝固过程停　越大，熔化后的合金液体冷凝生成的晶核来不及长　顿。因此，柱晶前沿具有大的温度梯度．是断续凝　大，形成比较细小的晶粒，硬度升高。另一方面，　固过程和产生层状偏析的重要条件。　较快的扫描速度又不利于合金元素的充分混合．造　成熔覆层内组织不均匀，硬度分布也不均匀。当激　４结　论　光功率密度增加时，对流强度增加。作用时间越长，　研究了不同成分配比的３种不同厚度的Ａｌ—Ｙ—Ｍ　对流的循环次数越多，搅拌越充分，增加了熔覆层　粉末激光熔覆涂层性能和组织。当涂层厚度为　成分分布的均匀性，有利于硬度的均匀分布。　０．２　ｍｍ时，在激光功率３　０００　Ｗ，光斑直径３　ｍｍ，　３．４熔覆层中的偏析　扫描速度为２～４　ｍ／ｍｉｎ时，熔覆过程平稳且无烟雾，　在实验观察分析过程中发现熔覆层中存在偏析　可得到外观较佳、显微组织细密且表面硬度较高的　现象，如图１２和１３所示　熔覆涂层。　Ｊ４