鋁合金表面激光熔覆鋁釔合金涂層的組織與性能研究

劉小斐（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古　鄂爾多斯　017000）

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鋁合金表面激光熔覆鋁釔合金涂層的組織與性能研究

劉小斐
（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000）

摘要：筆者將對(duì)鋁合金表層激光熔覆的工藝以及原料配方等實(shí)施解析，并在鋁合金表層制備了有著上佳冶金效果的鋁釔合金涂層。運(yùn)用掃描電子顯微鏡、X射線衍射以及顯微硬度等設(shè)備或數(shù)據(jù)來(lái)解析熔覆層的組織以及特性。通過實(shí)踐證實(shí)：熔覆層中的成分以及硬度分布相對(duì)勻稱，物相構(gòu)成元素是A1、A12Ni6Y3以及A13Ni2相。

關(guān)鍵詞：鋁合金；激光熔覆；合金涂層；組織；特性

鋁合金因?yàn)槊芏鹊?、熱膨脹系?shù)小、比模數(shù)以及強(qiáng)度-重量比大等先天優(yōu)勢(shì)，多用于光學(xué)精密設(shè)備、慣性元件、動(dòng)力設(shè)備活塞、直升機(jī)起落架、彈殼、導(dǎo)彈鑲嵌構(gòu)造、汽車車身等方面。

1　試驗(yàn)原料以及模式

基底原料采用2024，我國(guó)將其稱為2A12，類似于LY12，常規(guī)使用的板材標(biāo)準(zhǔn)是AMS-QQ-A-250/4（非包鋁）；AMS-QQ-A-250/5（包鋁）。2024的合金元素是Cu，還被叫做硬鋁，有著極佳的強(qiáng)度和優(yōu)秀的切削加工特性，然而抗銹蝕性不甚理想。普及使用于飛機(jī)構(gòu)造（蒙皮、骨架、肋梁、隔框等）、卯榫結(jié)構(gòu)、導(dǎo)彈元件、汽車輪轂、螺旋槳零件和它類的構(gòu)造領(lǐng)域，是Al-Cu-Mg系。

于表層使用華工激光的JKR5130A類5kw連續(xù)CO2激光設(shè)備實(shí)施激光熔覆，對(duì)熔覆層實(shí)施同工藝以及同環(huán)境的重熔。實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)：激光功率3.8千瓦；光斑直徑5毫米；掃描速率10毫米/秒；保護(hù)氣化物是Ar；流量5-6升/分。使用激光熔覆以后，熔化區(qū)深度達(dá)到1.32毫米；熔覆層厚度達(dá)到1.555毫米；稀釋度達(dá)到45.9%。

依激光掃描道的垂向位置獲取橫斷面并制備金相，通過掃描電子顯微鏡以及能譜儀測(cè)定熔覆層的構(gòu)造情況等等，并通過能譜儀解析，使用X射線衍射儀解析涂層物相；另外，通過HX-500顯微硬度計(jì)測(cè)定涂層斷面的顯微硬度，試驗(yàn)載荷維持在1.96N，保壓時(shí)間是15秒。

2　試驗(yàn)成果以及解析

2.1組織構(gòu)造以及能譜解析

通過研究樣本從熔覆層底端到表層的掃描電子顯微鏡背散射簡(jiǎn)圖，熔覆層展示出顯著的明暗區(qū)別，較亮的區(qū)域與較暗的區(qū)域間有一定的灰色地帶。從圖1a能夠發(fā)現(xiàn)，熔覆層和基體的融合部有著顯著的外延生長(zhǎng)枝晶，這說明熔覆層和基體能夠通過冶金熔合。對(duì)比1b、1c以及1d，從熔覆層底端到表層，較暗的區(qū)域增多，較亮的區(qū)域變少。較暗區(qū)域從圖1b內(nèi)的不勻稱細(xì)粒型轉(zhuǎn)變?yōu)閳D1d內(nèi)的大塊形。在熔覆層與基體的融合不又產(chǎn)生了暗區(qū)增加的現(xiàn)象。（參考圖1a）

圖1　從熔覆層底端到表層的掃描電鏡背散射簡(jiǎn)圖

熔覆層線掃描方位結(jié)果說明：因?yàn)槿鄹搽A段內(nèi)區(qū)域偏析的原因，從熔覆層邊沿到核心，區(qū)域視角下成分未達(dá)到勻稱狀態(tài)，熔覆金屬以柱狀晶的態(tài)勢(shì)變大，把過飽和溶質(zhì)注入熔池核心部位，核心位置溶質(zhì)濃度逐步攀升，讓最終凝結(jié)的位置產(chǎn)生極大的偏析。所以，鋁元素橫向分布定律作用下，其顯示出拋物線的分布態(tài)勢(shì)。通過觀測(cè)掃描結(jié)果圖，熔合區(qū)的A1元素劇增，說明熔化的A1合金對(duì)熔覆層形成了稀釋；這類稀釋完成了熔覆層與基體的冶金熔合。

鋁釔的橫向分布定律與A1相類，然而試驗(yàn)中微小的Y以及Ni粉，在激光的照射下熔化，并因?yàn)槊芏缺蠕X合金熔液大而沉積到熔池底端。因此通過對(duì)縱方向的成分掃描成果來(lái)說，在熔覆層上端的疏松結(jié)構(gòu)內(nèi)，Y以及Ni的數(shù)量相對(duì)不多，在熔覆層底端的Y與Ni數(shù)量較多。然而其和基體熔合區(qū)因?yàn)榛牡南♂尡容^明顯，相對(duì)含量會(huì)下降。所以，Y以及Ni匯集在熔覆層中端或下端。

熔覆層掃描方位中表層、中央位置、根部的面掃描成果顯示：熔覆層各個(gè)部位都產(chǎn)生了微量氧氣、Mg以及銅等，這事因?yàn)榧す馊鄹搽A段形成了微小的氧化，基材的Mg與銅熔化后會(huì)在熔池內(nèi)產(chǎn)生位移，和熔覆原料融合，讓基體和熔覆層形成冶金狀態(tài)。

對(duì)熔覆層成分含量進(jìn)行解析能夠看到：熔覆層各位置成分分布較為勻稱。因?yàn)殇X的密度偏低，熔化后快速浮起，稀釋熔覆合金；所以，A1元素的比例從以往的80%攀升到88%之上。熔覆層底端和基材碰觸，稀釋度較高。

通過上述解析得出：熔覆層掃描成果與線掃描成果基本符合，得到激光熔覆鋁釔合金涂層的成分分布的組織與特性。

2.2熔覆層物相解析

通過對(duì)激光熔覆層中的電子顯微鏡對(duì)應(yīng)的點(diǎn)掃描成果的解析，筆者發(fā)現(xiàn)熔覆層中較亮區(qū)域與較暗區(qū)域都摻雜了A1、Y以及Ni，通過對(duì)比其成分元素，發(fā)現(xiàn)較暗區(qū)域的鋁元素比較亮區(qū)域的為多，通常是鋁元素為主要元素的化合物；較亮區(qū)域Y與Ni元素較多，是以Y與Ni為主要元素的化合物匯集區(qū)域。

而通過對(duì)比熔覆層XRD的衍射圖像，并參照A1-Ni-Y相圖以及對(duì)電子顯微鏡掃描成果的解析，能夠看出熔覆層中有著A1、A12Ni6Y3、A13Ni2三類相。因?yàn)槿诤虾辖饍?nèi)A1元素較多，所以大批的純度極高的A1凝結(jié)；此時(shí)金屬熔覆層的相散布規(guī)律應(yīng)該是：富A1相；A12Ni6Y3、A13Ni2相通常位于枝晶間。就是說這部分熔覆合金相有可能在枝晶衍生的流程中被排除到枝晶縫隙；抑或沒有遭排除，而由枝晶生長(zhǎng)“捕捉”，而位于原來(lái)的方位會(huì)妨礙枝晶的生長(zhǎng)，讓枝晶碎裂，生長(zhǎng)走向變得混亂。

2.3熔覆硬度解析

通過對(duì)熔覆層物相解析，能夠得出其組織與性能，此處再參考硬度解析結(jié)果。而通過使用維氏硬度計(jì)，在熔覆層深寬方位勻稱情況下實(shí)施檢測(cè)，測(cè)定熔覆層硬度分布的成果。由分布成果能夠發(fā)現(xiàn)：熔覆層硬度達(dá)到60HV之上。因?yàn)榧す鈷呙铇O為迅速，熔池運(yùn)動(dòng)沒有定律可循，讓熔覆層中的合金元素散布情況紊亂；右端的A1-Ni相含量相對(duì)較多，所以熔覆層中左端的硬度與右端的硬度并不統(tǒng)一。

通過對(duì)熔覆層縱方位的硬度實(shí)施解析，熔覆層核心部位從表層到根端硬度是勻稱的，并且其硬度達(dá)到70-90HV，相對(duì)橫向硬度變大。究其原因，是因?yàn)楹暧^偏析造成。就是說熔覆凝結(jié)結(jié)晶的階段，將過飽和溶質(zhì)Y 與Ni推移到熔池核心位置，核心部位溶質(zhì)的濃度開始攀升，并在熔覆層中央位置構(gòu)成A1-Y-Ni金屬間化合物，對(duì)熔覆層內(nèi)縫隙位置的硬度是一種強(qiáng)化。

為了更好地對(duì)比顯微硬度解析成果，筆者在此結(jié)合A1+Y的粉熔覆層顯微硬度進(jìn)行探討。

對(duì)激光熔覆區(qū)平行位置且間距在0.25-0.5毫米的母材表層以及熔覆層核心位置深度方位，對(duì)樣本B-1、B-2、C-1、C-2進(jìn)行了微型顯微鏡硬度試驗(yàn)，承受的負(fù)載是200g，得到其硬度曲線圖。（見圖2、圖3）

圖2　熔覆層橫向顯微硬度曲線圖

圖3　熔覆層中線顯微硬度曲線圖

微型顯微鏡硬度能夠映射熔覆層特性，通過比較相異配方的合金粉末在同等激光掃描情況下熔覆層的顯微硬度散布情況，能夠?yàn)榧す馊鄹矊拥臋C(jī)械特性的分析與預(yù)估提供參考；而且能對(duì)熔覆層的組織散布情況以及集體鋁合金在熔覆層的流動(dòng)情況進(jìn)行定性預(yù)估。

通過掌握樣本在熔覆層橫斷面到熔覆層表層的基體內(nèi)里的硬度散布情況進(jìn)行解析，能夠得到熔覆層橫向硬度散布圖譜。用HX-500型維氏硬度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷是200gf，加載時(shí)長(zhǎng)達(dá)到15秒。

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩吹?，熔覆區(qū)的硬度值比基體鋁合金2034的硬度值為低，而相較于純鋁的硬度值要高。熔覆區(qū)與基體區(qū)合金的加強(qiáng)模式不一樣，基體區(qū)是銅、鎂等的固溶強(qiáng)化；而熔覆區(qū)的合金通常通過Y元素的作用讓純鋁晶粒變得更為微小，其硬度值有所提升并超過工業(yè)純鋁的硬度值。熔覆層內(nèi)部的硬度值趨近于表層的最高值，部分區(qū)域已經(jīng)趨近于基體的硬度。

3　結(jié)束語(yǔ)

綜上，在2024鋁合金基體上能夠冶金并制備鋁釔合金涂層；熔覆層內(nèi)A1元素分布勻稱；熔覆層的相構(gòu)成是A1、A12Ni6Y3、以及A13Ni2三相，熔覆層內(nèi)部組織密實(shí)，熔覆層與母材有很好的冶金結(jié)合；熔覆層的硬度從最低階段的60HV到最高階段的120HV明顯增強(qiáng)。

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項(xiàng)目名稱：鋁及鋁合金制件表面稀土涂層制備，項(xiàng)目編號(hào)：EJY1404。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.031

作者簡(jiǎn)介：劉小斐（1978-），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，研究生，中級(jí)，研究方向：材料成型及鋁合金表面激光改性技術(shù)研究。