稀土鎂合金鑄件表面微觀缺陷形成機理及修復技術

陳 舸 江善堯 肖 旅 王征遠 李寶輝 董喜旺

（1 上海航天精密機械研究所，上海市 201600）

（2 上海交通大學，上海市 200240）

0 引言

鎂合金作為最輕的金屬結構材料，兼?zhèn)涓弑葟姸?、比模量，?yōu)異的導熱、電磁屏蔽性能，因此其研究和應用受到廣泛關注［1］。Mg?Gd?Y 系高強耐熱鑄造鎂合金如VW63Z、VW83Z、VW103Z 等具有優(yōu)異的室、高溫綜合力學性能，在航空、航天領域廣泛應用［2］。

砂型鑄造是目前航天鑄造產品中應用最為廣泛的造型方法。稀土鎂合金常采用砂型鑄造的方式進行制備［3］。金屬液在澆注凝固時，砂型直接與高溫金屬液接觸，并提供鑄件凝固、冷卻所需的型腔，鑄件會出現(xiàn)一定程度的卷氣、夾雜等缺陷。工業(yè)生產中常用熒光檢測的方法來觀察鑄件表面質量情況，鑄件在澆注過程中產生的部分缺陷會直接暴露在表面，經過熒光檢測的結果表現(xiàn)為“條狀熒光”現(xiàn)象（簡稱熒光條紋），如圖1所示。分析發(fā)現(xiàn)熒光條紋缺陷不同于裂紋和冷隔系表面缺陷，一般深度不超過1 mm，當缺陷出現(xiàn)鑄件機加工面時可輕易通過機加工方法去除；然而隨著鑄件近凈成形的要求越來越高，當該缺陷出現(xiàn)在鑄件非加工面時，將難以通過機械加工方式去除，并稱為潛在的裂紋萌生點，從而影響鑄件合格率。

工業(yè)生產中應對該種缺陷的普遍處理方式為將其與其他表面缺陷歸為一類，采用機械加工打磨去除缺陷區(qū)域后氬弧焊補焊的方式修補該種缺陷，其主要缺點包括：（1）微觀缺陷在鑄件表面分布廣，挖除時需要考慮鑄件表面特征，挖除難度大、工時長；（2）采用氬弧焊補焊修復微觀缺陷時，造成的熱影響區(qū)大，鎂合金鑄件容易產生裂紋，造成鑄件報廢。

激光表面處理通常用于強化鎂合金的表面性能，主要方法包括激光表面熔凝、合金化、熔覆和復合強化等［4］。其中激光熔凝處理［5］是用較高能量密度的激光束照射金屬表面，形成的熔池急冷后使表面強化。其主要優(yōu)點是能夠在材料表面制造高質量的熔凝層，對基體材料熱影響小。高亞麗［6］等使用10 kW橫流CO2激光器在真空條件下重熔處理AZ91HP鎂合金表面，改性層產生細晶強化，硬度提高，耐磨性和減摩性均增加。MAJUMDAR J D［7］在氬氣保護下用CO2激光器分別對MEZ（Zn0.5%，Mn0.1%，Zr0.1%，Re2%）和AZ31，AZ61及WE43鎂合金進行了表面熔凝處理。發(fā)現(xiàn)激光功率為1.5～3 kW、掃描速度為100～300 mm/min條件下可得到與基體結合良好的表面改性層，其抗點蝕性顯著提高。WANG A等［8］采用Nd：YAG激光器在Mg?Zn鎂合金表面制備同質涂層，涂層由細小的等軸晶組成，無裂紋等缺陷。

激光熔凝處理通常作為鎂合金表面強化的技術，而將激光熔凝作為表面缺陷修復技術則鮮有報道。本文將對鎂合金鑄件表面微觀缺陷的形成機理進行探究，嘗試采用激光熔凝處理修復稀土鎂合金鑄件表面微觀缺陷，討論激光束光型和輸出功率對修復效果的影響。

1 實驗

1.1 材料及制造工藝

采用砂型鑄造的方法制備VW63Z 稀土鎂合金。原材料為純Mg、Mg?20Gd 中間合金、Mg?30Y 中間合金，晶粒細化劑原材料為Mg?30Zr 中間合金。合金熔煉選用坩堝式電阻爐（GR?150?9）。將預熱后的原材料按順序分別放置于坩堝爐中熔煉，熔煉過程中施以一定量的JDMF 覆蓋劑阻燃，在Mg?30Zr 中間合金熔化后加入一定量的JDMJ 精煉劑進行精煉除渣、除雜，金屬熔液靜置25～40 min 后撈除坩堝底部廢渣，采用差壓鑄造的方式制備某鎂合金鑄件。

1.2 測試分析

選用等離子體發(fā)射光譜儀（ICP，PerkinElmerPlasma 400）對合金成分進行測定，結果如表1所示。選用GX60?DS 金相分析系統(tǒng)對合金顯微組織進行觀察，選用CMT5305 電子萬能材料試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min，單次拉伸樣品選取規(guī)格為M8 mm×Φ5 mm 的鑄件本體試樣3 根，測試結果取3 根試樣的平均值。使用FEI QUANTA 450掃描電鏡（SEM）及其配備的X 射線能譜儀（EDS）對鑄件顯微組織和形貌進行觀察。采用南京東方激光有限公司生產的RS 2000 SM 快軸流高功率CO2激光器對試板進行激光熔凝實驗，掃描速度為300 mm/min，激光束每次掃描的進給量為1.5 mm。

表1 VW63Z合金實測成分Tab 1 Composition of VW63Z alloy %（w）

選用熒光檢測方法對VW63Z 鎂合金鑄件進行滲透檢測，首先將熒光滲透劑涂在清潔、干燥的鑄件表面，待熒光劑滲入表面開口缺陷中后，去除表面多余的熒光劑，施加顯像劑，之前滲入鑄件表面開口缺陷中的滲透劑被吸出，在黑光燈下鑄件表面顯示出缺陷的位置，熒光檢測方案如表2所示。

表2 熒光檢測方案表Tab.2 Test parameters of fluorescence detection

2 結果及分析

2.1 微觀缺陷組織表征與形成機理分析

稀土鎂合金在澆注過程中會與空氣中的氧氣反應形成氧化薄膜［9?10］。在鑄造過程中金屬液的不穩(wěn)定流動會將表面氧化膜卷入到金屬液內部，卷入過程中表面膜上會發(fā)生相互折疊，形成卷入性缺陷，如圖2所示。

圖2 表面膜卷入金屬液過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the process of surface film being drawn into molten metal

在頂注式重力澆注系統(tǒng)中，金屬液依靠重力填滿型腔。當金屬液下降速度增大到一定值時，液面上的表面膜會被卷入金屬液內部，如圖2（a）所示；而底注式澆注系統(tǒng)中，表面膜會脫離鑄型外壁形成堆積，或者被壓縮而發(fā)生折疊和卷入［4］，如圖2（b）所示。

VW63Z 鎂合金鑄件熒光檢測結果如圖3所示，可見在熒光下，鑄件表面微觀缺陷如豎狀條紋，沿著艙體內部軸向排列。

圖3 鑄件熒光檢測結果Fig.3 Fluorescence detection results of castings

VW63Z稀土鎂合金鑄件表面的微觀缺陷處SEM結果如圖4所示，其中選區(qū)EDS 測試結果如圖5和表3所示。鑄件表面各類缺陷以未彌合的細小裂紋為主，周圍分布著一些細小的白色顆粒狀相，部分裂紋存在夾雜；在鎂合金斷口試樣澆注過程中，合金液澆入模具后，表面很快出現(xiàn)一層表面膜，隨后在凝固過程中該表面膜層會出現(xiàn)一定程度的收縮，EDS 分析結果表明白色顆粒相和表面膜的成分基本為氧化釓、氧化釔和氧化鎂。

表3 選區(qū)元素占比Tab.3 Proportion of elements in selected area %（w）

結合EDS 分析結果與試樣澆注過程中觀察到的現(xiàn)象，可以判斷在掃描電子顯微鏡下觀察到的表面富Gd 現(xiàn)象即為鑄造過程中合金表面產生的膜層導致的，而熒光條紋處的表面膜呈褶皺狀，存在大量沒有熔合的縫隙。而部分微觀缺陷存在的夾雜情況如圖4（b）所示，根據EDS 選區(qū)39 分析結果可知，該夾雜物為SiO2，應是澆注過程中砂粒脫落導致。

圖4 各類表面微觀缺陷SEM結果Fig.4 SEM results of various surface micro?defects

觀察微觀缺陷出現(xiàn)的位置，大致位于澆注系統(tǒng)的兩個分布式內澆道當中，由此推測在澆注時內澆道中金屬液發(fā)生匯流，有可能會導致鑄件表面微觀缺陷的生成。對澆注系統(tǒng)三維模型及充型過程進行數值模擬，結果如圖5所示。金屬液通過升液管后由多個內澆道進入鑄型，內澆道中的金屬液剛進入到鑄型中時會與鑄型中的空氣反應生成氧化膜，表面膜主要成分是氧化鎂和氧化釓。CAMPBELL［13］指出氧化膜在充型過程中極容易形成，同時對鑄件的機械性能和可靠性有重要影響，并提出雙層氧化膜的概念，且前文的SEM和EDS結果也證實了雙層氧化膜的存在。

圖5 表面微觀缺陷EDS結果Fig 5 EDS results of surface micro?defects

圖6 澆注系統(tǒng)三維模型及充型過程數值模擬Fig.6 3D model of gating system and numerical simulation of mold filling process

2.2 激光熔凝工藝研究

2.2.1 激光束光型的影響

常用的激光束光型分為高斯激光和平頂激光，激光能量分布示意圖如圖7所示。

圖7 激光束能量分布示意圖［14］Fig.7 The energy distribution diagram of laser beam［14］

實際的激光加熱過程中，光源以光斑的形式照射到工件表面，高斯激光束能量分布近似符合高斯模型，光斑中心能量密度高；平頂激光需要一定的光束整形，能量分布則更為均勻。采用平頂激光和高斯激光兩種光型對VW63Z 鎂合金鑄件表面進行加工，將激光熔凝后的試板先用240#～1 200#砂紙進行粗磨，沿垂直于激光掃描的方向將試樣切成兩半，觀察熔凝層截面的金相組織。激光功率設定為600 W時，使用兩種光型加工VW63Z 鑄件表面缺陷后鑄件截面SEM結果如圖8所示。

由圖8可知，使用平頂激光和高斯激光兩種光型對鑄件表面缺陷處進行熔凝處理后，鑄件表面微觀缺陷組織如雙層氧化膜發(fā)生重熔，重新凝固后的組織呈樹枝晶狀，晶粒相比基體組織更小。觀察可知，激光功率選擇為600 W時，平頂激光和高斯激光兩種光型加工所得的重熔組織與基體組織界面相互交叉、結合良好。

圖8 重熔組織與基體組織結合部分SEM結果Fig.8 SEM results of the combined part of the remelted structure and the matrix structure

觀察兩種光型重熔組織上表面如圖8所示，采用高斯激光重熔后的組織其上表面呈明顯的圓弧狀，這是因為高斯激光束的峰值部分能量較平頂激光更大，高斯激光光型加工后的上表面凹陷情況更為明顯。

2.2.2 激光輸出功率的影響

考慮到鑄件激光熔凝后的表面質量要求，選取激光束光型為平頂激光，采用不同激光輸出功率（600、800、1 000 W）對VW63Z 鑄件表面缺陷處進行熔凝處理，鑄件截面金相照片如圖9所示?？梢婋S著激光輸出功率的提升，重熔組織的枝晶尺寸增大，這是由激光熔凝的快速加熱和冷卻特性［15］決定的：隨著激光功率增大，形成的熔池較深，枝晶生長空間增大，冷卻速度降低，枝晶的生長更易進行，枝晶尺寸隨之增大。根據對VW63Z 鎂合金鑄件表面微觀缺陷分析可知，鑄件表面微觀缺陷的深度大多不超過0.9 mm，激光輸出功率為800 W 時，重凝層深度約為0.915 mm，滿足缺陷修復的深度要求。

圖9 激光熔凝后鑄件截面金相照片F(xiàn)ig 9 OM images of the cross?section of the casting after laser melting

圖10 不同功率的平頂激光熔凝后鑄件截面金相照片F(xiàn)ig.10 OM images of the cross?section of the castings after flat?top laser fusion with different powers

綜上所述，采用平頂激光和高斯激光兩種光型的激光束對鑄件表面缺陷進行加工，缺陷得到修復，重熔后的組織呈樹枝晶狀并與基體結合良好；選取不同功率的平頂激光束處理鑄件表面缺陷，隨著激光束功率增加，枝晶尺寸增大，熔深增加，同時熱影響區(qū)增大?？紤]到鑄件表面質量要求和控制激光熔凝的熱影響區(qū)范圍，最終選取激光熔凝的光型為平頂激光，激光束的輸出功率為800 W。

2.2.3 激光熔凝修復效果驗證

采用光型為平頂激光、輸出功率為800 W 的CO2激光器對VW63Z 鎂合金鑄件表面存在微觀缺陷的部分進行激光熔凝處理，處理后的樣品采用熒光檢測的方法進行滲透檢測，結果如圖11所示。根據熒光檢測驗收標準HB7780—2005，樣品未見超標缺陷，激光熔凝修復線性條紋缺陷效果良好。

圖11 熒光檢測結果Fig.11 The results of fluorescence detection

激光熔凝后的樣品表面經打磨后尺寸符合驗收標準，對鑄件本體以及激光熔凝區(qū)域分別取樣加工，樣品經T6 熱處理后進行力學性能檢測，結果如表4所示。

表4 不同區(qū)域樣品T6態(tài)力學性能測試結果Tab.4 Test results of mechanical properties in T6 state of samples in different regions

T6 狀態(tài)下母材的性能平均值為Rm=320 MPa，激光熔凝區(qū)樣品Rm=241 MPa，為母材的75.3%，激光熔凝區(qū)與母材結合良好，力學性能滿足使用條件。

3 結論

（1）稀土鎂合金VW63Z 鑄件表面微觀缺陷大多數為細小裂紋，裂紋的形成與稀土元素氧化、金屬液匯流、砂型發(fā)氣、砂粒脫落等因素有關；表面缺陷主要成分為稀土氧化物的雙層氧化膜，包括氧化鎂、氧化釔和氧化釓，其中部分存在夾雜物，包括氧化膜夾雜與砂粒夾雜；

（2）采用平頂激光和高斯激光兩種CO2激光對VW63Z 鑄件表面缺陷進行熔凝處理，重熔層組織呈樹枝晶狀，晶粒細小并與基體結合良好。當激光束選取為平頂激光時，重熔組織上表面更為平整；

（3）隨著激光輸出功率增加，VW63Z鑄件重熔層枝晶尺寸增大，熔池深度增加，同時鑄件熱影響區(qū)增大。當激光束輸出功率為800 W 時，熔深約為0.915 mm，控制鑄件熱影響范圍的同時基本可以修復鑄件表面缺陷，

（4）原缺陷位置經激光熔凝處理后熒光檢測未見條紋狀缺陷，T6 狀態(tài)下激光熔凝區(qū)樣品Rm=241 MPa，為母材的75.3%，激光熔凝區(qū)與母材結合良好，力學性能滿足使用條件。