鋁合金表面激光熔覆AI-Y-Ni合金涂層的組織與性能研究

林日東，黃安國(guó)

(1.華北光電技術(shù)研究所，北京 100015；2.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074)

焊接工藝

鋁合金表面激光熔覆AI-Y-Ni合金涂層的組織與性能研究

林日東1，黃安國(guó)2

(1.華北光電技術(shù)研究所，北京 100015；2.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074)

通過(guò)對(duì)鋁合金表面激光熔覆的工藝和材料配方的研究，在鋁合金表面上制備了具有良好冶金結(jié)合的Al-Y-Ni合金層。應(yīng)用掃描電鏡、XRD衍射和顯微硬度計(jì)分析了熔覆層組織和性能。結(jié)果表明，熔覆層內(nèi)成分和硬度分布較為均勻，物相組成以Al、Al2Ni6Y3和Al3Ni2相為主。

激光熔覆；Al-Y-Ni；物相；成分；性能

0 前言

鋁合金(包括鋁基復(fù)合材料)由于具有密度小、熱膨脹系數(shù)低、比剛度和比強(qiáng)度高等諸多優(yōu)異性能，在光學(xué)精密儀器、慣性器件、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、直升機(jī)起落架、導(dǎo)彈殼體、導(dǎo)彈鑲嵌結(jié)構(gòu)、汽車車身、機(jī)車車廂和航空航天器結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)用廣泛[1-2]。然而，由于其較低的硬度和有限的耐磨損性能，使其在應(yīng)用領(lǐng)域受到了極大的限制。近年來(lái)，Al-Y-Ni系列非晶由于其高抗拉強(qiáng)度、良好的抗彎曲性和優(yōu)越的抗腐蝕性能顯示出了巨大的應(yīng)用潛力，引起了人們的廣泛關(guān)注[3]。因此，在鋁合金表面制備Al-Y-Ni非晶層必能極大改善鋁合金表面性能，提高鋁合金的應(yīng)用范圍。

本研究在2034鋁合金基體上激光熔覆制備Al-Y-Ni合金涂層，分析和討論了熔覆層的物相、元素分布和顯微硬度分布特征，為應(yīng)用激光熔覆技術(shù)制備Al-Y-Ni非晶層的可能性進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

基底材料為2034鋁合金，成分如表1所示。母板加工成50 mm×80 mm×10 mm的矩形塊，涂覆前用丙酮除脂，烘干待用。熔覆粉末成分為w(Al)80%+w (Y)10%+w(Ni)10%粉，分別將上述粉末研磨到200目后均勻混合，然后用有機(jī)粘結(jié)劑涂覆于基材表面，涂層厚度2 mm。

表1 鋁合金基體材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of substrate

在預(yù)覆層表面采用華工激光的JKR5130A型5 kW連續(xù)CO2激光器進(jìn)行激光熔覆，對(duì)熔覆層進(jìn)行同工藝條件的重熔。試驗(yàn)工藝參數(shù)：激光功率38kW，光斑直徑5mm，掃描速度10mm／s，保護(hù)氣體為氬氣，流量5～6 L／min。激光熔覆后，熔化區(qū)深度1.32 mm，熔覆層厚度1.555 mm，其稀釋率為45.9%。

沿激光掃描道的垂直方向切取橫截面制取金相，利用掃描電鏡和能譜儀觀察熔覆層組織形貌，并進(jìn)行能譜分析，應(yīng)用X射線衍射儀分析涂層物相。并采用HX-500顯微硬度計(jì)實(shí)測(cè)涂層橫截面顯微硬度，實(shí)驗(yàn)載荷1.96 N，保壓時(shí)間15 s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 組織形貌和能譜分析

圖1為試樣由熔覆層底部到表面的掃描電鏡背散射圖像，由圖1可知，熔覆層呈明顯的明、暗兩區(qū)分布，明區(qū)和暗區(qū)之間有少量灰色區(qū)域。由圖1a可以看出，熔覆層與基體結(jié)合區(qū)具有明顯的外延生長(zhǎng)枝晶，表明熔覆層與基體實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。比較圖1b、圖1c和圖1d可知，從熔覆層底部到表面，暗區(qū)增加，亮區(qū)減少，暗區(qū)由圖1b中的不規(guī)則顆粒狀逐漸過(guò)渡為圖1d中的大塊狀。而熔覆層與基體結(jié)合區(qū)又出現(xiàn)了暗區(qū)面積增大的情況(見(jiàn)圖1a)。

圖1 由熔覆層底部到表面的掃描電鏡背散射圖像Fig.1 Backscatter photos of cladding layer

熔覆層線掃描方向示意如圖2所示，掃描結(jié)果如圖3所示。由于熔覆中宏觀偏析的緣故，從熔覆層邊緣到中心，宏觀上存在成分不均勻性，熔覆金屬以柱狀晶長(zhǎng)大，將過(guò)飽和溶質(zhì)推向熔池中心，中心溶質(zhì)濃度逐漸升高，使最后凝固的部位發(fā)生較嚴(yán)重的偏析。因此，鋁元素橫向分布規(guī)律呈拋物線式分布如圖3a所示。從圖3b的縱向掃描結(jié)果可以看出，熔合區(qū)的A1元素急劇增加，表明熔化的A1合金對(duì)熔覆層產(chǎn)生了稀釋，這種稀釋是熔覆層和基體形成冶金結(jié)合的必要保證。

圖2 熔覆層線掃描方向Fig.2 Direction of EDAX patterns

圖3 熔覆層和線掃描結(jié)果Fig.3 EDAX patterns of the cladding layer

Y和Ni的橫向分布規(guī)律和Al相似，但是實(shí)驗(yàn)中較細(xì)的Y和Ni粉，在激光作用下熔化后由于密度高于鋁合金熔液而向熔池底部沉淀。所以從縱向成分掃描結(jié)果可以看出，在熔覆層上部的疏松組織中，Y和Ni含量相對(duì)較少，而熔覆層底部的Y和Ni含量較高，但是與基體熔合區(qū)由于受到基體材料的稀釋較嚴(yán)重，相對(duì)含量有所降低。因此，Y和Ni主要集中于熔覆層中下部。

熔覆層掃描位置如圖4a所示，表面、中部和根部的面掃描結(jié)果如圖4b、圖4c、圖4d所示。由圖4可見(jiàn)，熔覆層各區(qū)域均含有少量O、Mg和Cu元素，這是由于激光熔覆過(guò)程中鋁發(fā)生了少量的氧化，基體材料的Mg和Cu熔化后隨著熔池移動(dòng)，與熔覆材料充分混合，使基體與熔覆層達(dá)到了冶金結(jié)合。

圖4 熔覆層不同區(qū)域元素分布情況Fig.4 Element of the cladding layer

熔覆層成分含量如表2所示，由表2可知，熔覆層各區(qū)域成分分布較均勻。由于鋁的密度較低，熔化后迅速上浮，對(duì)熔覆合金發(fā)生稀釋作用，因此，Al元素的含量由原來(lái)的80%上升至88%以上，熔覆層底部與基材接觸，稀釋較為嚴(yán)重。同理，Y和Ni被稀釋后含量也明顯減少，Y由原來(lái)的10%降低到不足2%，Ni由原來(lái)的10%降低到4.6%。另外，Y和Ni相對(duì)其他元素密度較高，在重力作用下下沉，因此Y和Ni的含量從熔覆層表面到根部逐漸升高。

由以上分析可見(jiàn)，熔覆層面掃描結(jié)果與線掃描結(jié)果相當(dāng)吻和，表現(xiàn)了激光熔覆Al-Y-Ni合金涂層成分分布的一般規(guī)律。

表2 熔覆層成分含量表Tab.2 Element content of the cladding zone %

2.2 熔覆層物相分析

圖5為激光熔覆層內(nèi)的電鏡圖片及相應(yīng)的點(diǎn)掃描結(jié)果。

圖5 熔覆層電鏡圖片和圖中十字處所含元素成分分析結(jié)果Fig.5 Microstructure distributing of laser cladding layerand the element of the point as showed in the photos

由圖5可知，熔覆層內(nèi)亮區(qū)和暗區(qū)均含有Al、Y和Ni元素。比較表3、表4成分含量可知，暗區(qū)鋁含量較亮區(qū)高，主要為含鋁較高的化合物；亮區(qū)Y和Ni含量較高，為含Y和Ni較高的化合物集中區(qū)。

表3 圖5a對(duì)應(yīng)成分含量Tab.3 Element content of figure 5a

表4 圖5b對(duì)應(yīng)成分含量Tab.3 Element content of figure 5b

圖6為熔覆層X(jué)RD衍射圖譜，參考Al-Ni-Y相圖[4-6]和電鏡點(diǎn)掃描結(jié)果分析可知熔覆層內(nèi)含Al、Al2Ni6Y3和Al3Ni2三種相。由于熔覆合金中Al含量很高，因此大量的純Al先凝固，這時(shí)金屬熔覆層的相分布可能為：基體相為富Al相，Al3Ni2和Al2Ni6Y3相基本上分布于枝(胞)晶間。即這些熔覆合金相或在枝(胞)晶生長(zhǎng)過(guò)程中被“排斥”到枝(胞)晶間隙；或是即未被“排斥”，亦未被枝(胞)晶生長(zhǎng)“捕獲”，而是處于原處對(duì)枝晶(胞)的生長(zhǎng)起到阻礙作用，使得枝(胞)晶破碎，生長(zhǎng)方向發(fā)生紊亂。

圖6 熔覆層X(jué)RD圖譜Fig.6 X-ray diffraction pattern analyses of the laser cladding layer

2.3 硬度分析

采用維氏硬度計(jì)，在熔覆層深度和寬度方向均勻間距下進(jìn)行測(cè)試，得出的熔覆層硬度分布結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 熔覆層橫向硬度分布Fig.7 Hardness distribution curve of clad layers in the traversesection

由圖7可知，熔覆層硬度在60HV以上。由于激光掃描速度很快，熔池運(yùn)動(dòng)不規(guī)律，使得熔覆層內(nèi)合金元素分布不均勻，右邊的Al-Ni增強(qiáng)相含量較多，因此熔覆層內(nèi)部左右硬度出現(xiàn)了不均勻的現(xiàn)象。

由圖8可知，在Al2Ni6Y3和Al3Ni2相存在的情況下，熔覆層中部從表面到根部硬度均勻，硬度70～90 HV，相對(duì)橫向硬度有所提高。這是由于宏觀偏析的緣故，即熔覆凝固結(jié)晶過(guò)程中，將過(guò)飽和溶質(zhì)Y和Ni推向熔池中心，中心溶質(zhì)濃度逐漸升高，在熔覆層中部形成較多Al-Y-Ni金屬間化合物，提高了熔覆層中縫處的硬度。

圖8 熔覆層縱向硬度分布Fig.8 Hardness distribution curve of clad layers in the lengthways-section

3 結(jié)論

(1)在2034鋁合金基體上可以激光熔覆制備具有冶金結(jié)合的Al-Y-Ni合金涂層；(2)熔覆層內(nèi)Al元素分布均勻，Y和Ni在熔覆層中下部含量較高，表面含量較少；(3)熔覆層的相組成為Al、Al2Ni6Y3和Al3Ni2三相，其硬度較均勻。

[1]黃曉艷，劉 波.艦船用結(jié)構(gòu)材料的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].船舶，2003(3)：21-24.

[2]孫丹丹，李文東.鋁合金在汽車中的應(yīng)用[J].山東內(nèi)燃機(jī)，2003(1)：34-36.

[3] Akihisa Inoue.Amorphous nanoquasicrystalline and nanocrystalline alloys in Al-based systems[J].Progress in materials science，1998(43)：365-520.

[4] Nash P，Su H N，Kleppa O.Enthalpies of formation of compounds in Al-Ni-Y systems[J].Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2002，12(4)：754-758.

[5] Nash P，Kleppa O J.Composition dependence of the enthalpies of formation of NiAl[J].J Alloys and Comp，2001(321)：228-231.

[6] Timofeev V S，Turchanin A A，Zubkov A A，et al.Enthalpies of formation for the Al-Y and Al-Y-Ni intermetallic compounds[J].Thermochimica Acta，1997，(299)：37-41.

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Microstructures and properties of laser cladding Al-Y-Ni alloys coatings on Al alloys

LIN Ri-dong1，HUANG An-guo2
(1.North China Institute of Electro-Optics.，Beijing 100015，China；2.College of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

The Al-Y-Ni alloys coatings were prepared on Al-based alloy by laser cladding.It was shown that the coatings have smooth and continuous surface，and metallurgically bond to the substrate.The phase，element distribution and microhardness have been analyzed with the aid of SEM，XRD and microhardness-tester.It was shown that the Al，Al2Ni6Y3and Al3Ni2are the dominant phases in the cladding zone.The component and hardness of cladding layers are well-proportioned.

laser cladding；Al-Y-Ni；phases；component；properties

TG457.14

A

1001-2303(2011)06-0001-05

2011-04-27

林日東(1977—)，男，江西贛州人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事紅外探測(cè)器組件結(jié)構(gòu)及先進(jìn)制造方面的研究工作。