鎂合金表面激光電弧復(fù)合熔覆5556 鋁合金工藝研究

任智強(qiáng)，孫瑜*，葉瑞云

（1. 陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072；2. 中國(guó)農(nóng)墾經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，北京 100072）

0 引言

鎂合金具有密度小、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好等優(yōu)異性能，在航空航天、石油化工、汽車(chē)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1-3]。為進(jìn)一步提高鎂合金耐蝕性能和應(yīng)用范圍，鎂合金表面強(qiáng)化和涂層技術(shù)成為研究熱點(diǎn)[4-10]。鎂合金表面熔覆方法包括激光、電弧噴涂、激光-電弧復(fù)合熔覆等，其中激光熔覆效率高，熔覆層與基材結(jié)合力高，具有較好耐磨耐蝕性，但熱影響區(qū)大。電弧噴涂對(duì)基材熱影響較小，送絲速率快，但涂層孔隙缺陷較高。采用激光輔助的電弧復(fù)合熔覆可以兼顧兩種工藝的優(yōu)勢(shì)[6-8]。

由于鋁涂層同樣有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐蝕性好的性能，是鎂合金表面防護(hù)的重要方式。利用鋁熔點(diǎn)低的特點(diǎn)，電弧噴涂可以通過(guò)熔化鋁絲材進(jìn)而快速制備鋁涂層[11-14]，但是常規(guī)電弧噴涂鋁涂層普遍存在缺陷多、結(jié)合力低、易剝落等問(wèn)題。激光輔助電弧復(fù)合熔覆具有熔深大、效率高、應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)引入額外的激光熱源輔助提升鋁合金熔覆層質(zhì)量成為了重要方法[12-18]。朱宗濤等人采用高頻脈沖激光，與鋁合金絲材焊接結(jié)合，形成鋁合金復(fù)合熔覆工藝，研究結(jié)果表明高頻脈沖耦合后弧長(zhǎng)增大，熔覆層表面光滑，內(nèi)部組織更加均勻[15]。孫承帥開(kāi)展了鋁合金激光誘導(dǎo)電弧增材制造成型研究，結(jié)果表明，通過(guò)工藝優(yōu)化，該增材制造技術(shù)可成型長(zhǎng)尺寸曲面件，且試件具有較小的尺寸誤差率[16]。許良紅等人研究了激光輔助熔化焊接對(duì)組織和熔覆層力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，使用激光輔助加熱提升了熔化焊接效率，熔覆層組織更加細(xì)小、熔深更大、接頭抗拉強(qiáng)度提升[17]。AZ80A 鎂合金是重要的輕量化合金材料，強(qiáng)度高，彈性模量大，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，被廣泛用于高性能輕量化工業(yè)零部件制造[19-21]。5556 鋁合金焊絲可作為熔覆合金，可用于電弧增材制造領(lǐng)域[22]。

為進(jìn)一步提升激光電弧復(fù)合熔覆品質(zhì)，還需要對(duì)熔覆工藝進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，其中引入激光擺動(dòng)可以提升電弧熔化均勻性，然而目前尚無(wú)相關(guān)深入研究報(bào)道。為此，本研究使用AZ80A 鎂合金作為激光電弧復(fù)合熔覆的基材，5556 鋁合金焊絲作為熔覆合金，重點(diǎn)研究了激光擺幅對(duì)熔覆層質(zhì)量提升機(jī)理。

1 試驗(yàn)與方法

使用AZ80A 鎂合金作為激光MIG 電弧復(fù)合熔覆的基材，使用前對(duì)該基材進(jìn)行了退火和表面拋光處理。使用5556 鋁合金焊絲作為熔覆合金，焊絲直徑1.2 mm。AZ80A 鎂合金基材和5556 鋁合金焊絲的名義成分如表1 所示。采用煜宸激光公司的Trudisk 光纖激光器進(jìn)行激光輔助熔覆，激光器功率范圍2～10 kW，激光波長(zhǎng)為1070 nm，定位精度±0.05 mm，額定輸入電壓380 V。本研究分別進(jìn)行了單層單道次、單層多道次和多層多道次激光電弧復(fù)合熔覆試驗(yàn)。在熔覆工藝試驗(yàn)中，除了調(diào)節(jié)常規(guī)的激光功率、熔覆速度等參數(shù)外，本研究重點(diǎn)引入了激光擺動(dòng)設(shè)計(jì)，即通過(guò)調(diào)節(jié)激光在熔覆區(qū)中的擺動(dòng)增加熔覆區(qū)受熱面積，進(jìn)而輔助合金的高質(zhì)量熔覆。MIG 電弧熔覆使用氬氣作為主要保護(hù)氣，使用送絲速度2.4～4.8 m/min。

表1 材料名義成分(wt.%)Table 1 Materials' nominal composition (wt.%)

在單層單道次熔覆試驗(yàn)中，采用正交實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行工藝優(yōu)化研究，針對(duì)激光功率、熔覆速度、送絲速度和激光擺幅設(shè)計(jì)了4 因素3 水平試驗(yàn)，如表2 所示。在單層單道次熔覆試驗(yàn)獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)基礎(chǔ)下，本研究在單層多道次熔覆試驗(yàn)（5～6 道次）中研究了道次間距和激光擺幅對(duì)多道次熔覆層組織的影響，具體試驗(yàn)參數(shù)如表3 所示。在確定了較優(yōu)的道次間距后，本研究繼續(xù)進(jìn)行了多層多道次熔覆試驗(yàn)（3 層10 道次），并繼續(xù)研究了不同激光擺幅的影響。

表2 單層單道次熔覆正交實(shí)驗(yàn)Table 2 Orthogonal experiments of single-layer single-path cladding

表3 單層多道次熔覆正交實(shí)驗(yàn)Table 2 Orthogonal experiments of single-layer multi-path cladding

對(duì)熔覆層進(jìn)行了試樣解剖，解剖位置位于熔道中部。對(duì)解剖的金相樣品進(jìn)行鑲樣和磨拋后，在VEGA3 TESCAN 掃描電鏡進(jìn)行了組織觀察，對(duì)熔覆層尺寸，包括熔寬、熔高、熔深（三者的尺寸定義如圖1 所示）進(jìn)行了測(cè)量與統(tǒng)計(jì)，并采用極差方法進(jìn)行了分析，極差為最大值與最小值之差。使用維氏硬度計(jì)對(duì)熔覆層的表層進(jìn)行了硬度測(cè)試，測(cè)試載荷100 N，保持時(shí)間10 s，測(cè)試位置如圖1 所示，主要位于熔覆層表層。采用能譜法對(duì)熔覆層不同位置的Mg 和Al 元素成分進(jìn)行了分析，并使用如下公式（公式1）對(duì)熔覆層中這兩種元素分布的均勻性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)：

圖1 熔寬、熔高和熔深測(cè)量方式，以及顯微硬度取點(diǎn)位置的示意圖Fig. 1 Schematic drawing of the measurement of the clad width, height, depth, and the testing positions of the micro hardness

公式(1)中a值越小則說(shuō)明熔池中Mg、Al 元素分布越均勻。

2 結(jié)果與分析

2.1 單層單道次熔覆研究

在單層單道次條件下，由表2 不同熔覆參數(shù)形成的Al 合金熔覆層橫截面組織如圖2 所示。不同熔覆層展現(xiàn)出尺寸（熔寬、熔高、熔深）明顯不同的特征。其中當(dāng)激光擺幅為零時(shí)(SS1、SS5、SS9)，熔覆層明顯具有較大的熔深，這是因?yàn)榧す庠赮 方向無(wú)擺動(dòng)時(shí)能量在熔池中心處非常集中，導(dǎo)致Mg 基材在Y 方向熔化嚴(yán)重。激光擺幅較大時(shí)，熔池更容易向X 方向而非Y 方向延伸，進(jìn)而展現(xiàn)出更為扁平的熔覆層形貌。分析激光功率影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，低功率(SS1、SS2、SS3)熔覆層更容易形成裂紋；分析送絲速率和熔覆速度影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，送絲速率和熔覆速度不易過(guò)高或過(guò)低，否則容易增加熔覆層缺陷。

圖2 單層單道次條件下熔覆層橫截面組織Fig. 2 Cross-sectional microstructure of the cladding layers in single-layer single-path condition

為了定量確定熔覆工藝參數(shù)對(duì)熔覆層穩(wěn)定性的影響，可使用極差的方法研究。圖3 展示了對(duì)圖2 中各熔覆層的尺寸進(jìn)行測(cè)量后再計(jì)算得到的尺寸極差結(jié)果。極差數(shù)據(jù)表明，熔覆層寬度穩(wěn)定性受熔覆速度變化的影響最大，熔覆層深度受激光加熱（包括激光功率和激光擺幅）影響最大，熔覆層高度受熔覆速度和送絲速度影響最大。

圖3 單層單道次條件下熔覆層尺寸極差結(jié)果Fig. 3 Range analyzing results of the cladding layers sizes in single-layer single-path condition

元素分布均勻性是影響熔覆層質(zhì)量的一個(gè)重要評(píng)價(jià)因素，圖4 展示了各工藝參數(shù)(SS1～SS9)下熔覆層中Mg、Al 元素分布均勻性。從Mg/Al含量比值來(lái)看（柱形圖），MaxMg/Al在激光功率增大時(shí)也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，說(shuō)明增加激光加熱能量促進(jìn)了基材中Mg 元素向Al 熔覆層的擴(kuò)散；另外，SS5 和SS9 的MaxMg/Al值比其他工藝更大，這兩種工藝使用的激光擺幅為0，熔深較大，造成了在熔覆層中Mg 擴(kuò)散具有更大梯度。從元素分布均勻性a 值來(lái)看，采用較大激光擺幅工藝均具有較高的均勻性，尤其是在高激光功率(SS7～SS9)下，采用大激光擺幅(SS8)時(shí)，元素分布均勻性最高。

圖4 單層單道次條件下熔覆層元素均勻性計(jì)算結(jié)果Fig. 4 Homogeneity calculation results of the elemental distribution in the cladding layers in single-layer singlepath condition

SS1-SS9 單層單道次熔覆層表層維氏硬度范圍為140～210 HV0.1，結(jié)果表明，激光功率、送絲速度、熔覆速度和激光擺幅對(duì)維氏硬度產(chǎn)生的極 差 分 別 為35 HV0.1、15 HV0.1、13 HV0.1和23 HV0.1，可見(jiàn)，激光功率對(duì)熔覆層維氏硬度影響最大。其中激光功率1.5 kW 的SS1～SS3 的維氏硬度明顯高于其他工藝，平均為184 HV0.1；激光功率2.5 kW 和3.5 kW 工藝下熔覆層硬度平均值分別為155 HV0.1和149 HV0.1，可見(jiàn)低功率下熔覆層表面硬度更高，而高功率下硬度更低。這可能是因?yàn)榧す夤β噬邥r(shí)，熔覆層中Mg 擴(kuò)散量增加，Mg 含量增加會(huì)使Mg、Al 元素均勻性增加，同時(shí)熔層硬度降低，可避免熔層開(kāi)裂。相對(duì)而言，激光功率為2.5 kW、送絲速度4.8 m/min 工藝可以較好地實(shí)現(xiàn)元素均勻性（圖4）和熔層品質(zhì)（圖2），而且較高的送絲速度也有利于提高熔層制備效率，因此本文將這兩個(gè)工藝參數(shù)固定并沿用至以下單層多道次和多層多道次的研究中，熔覆速度則選擇了相對(duì)適中的值(3.6 m/min)，見(jiàn)表3 和表4。

表4 多層多道次熔覆正交實(shí)驗(yàn)Table 4 Orthogonal experiments of multi-layer multi-path cladding

2.2 單層多道次熔覆研究

圖5 展示了在單層多道次（5～6 道次）條件下道次間距對(duì)熔覆層中Mg、Al 元素分布的影響。結(jié)果表明，隨著道次間距減小（SM1 至SM5），雖然熔覆層之間的搭接效果更好，但熔覆層尺寸均勻性更差（兩端低、中間高），且容易產(chǎn)生開(kāi)裂；Mg/Al 元素均勻性并未隨著道次間距的減小而得到改善。因此，選擇過(guò)小的道次間距不利于制造高質(zhì)量熔覆層。

圖5 單層多道次條件下熔覆層Mg、Al 元素分布：道次間距影響Fig. 5 Distribution of Mg and Al in the cladding layers in single-layer multi-path condition: path spacing influence

圖6 展示了激光擺幅對(duì)單層多道次條件下熔覆層搭接效果和Mg、Al 元素分布均勻性的影響。結(jié)果表明，增加激光擺幅時(shí)，熔覆層之間的搭接效果明顯增加，各熔覆層的熔寬變大，熔深則變小，元素分布均勻性也得到改善（尤其是Al 熔覆層中Mg 元素分布）。熔寬變大和熔深變小一方面可以減小熔覆層對(duì)基材的影響，另一方面可以提高各道次之間的搭接效果，有利于形成連續(xù)的熔覆涂層。

圖6 單層多道次條件下熔覆層Mg、Al 元素分布：激光擺幅影響Fig. 6 Distribution of Mg and Al in the cladding layers in single-layer multi-path condition: Laser swing distance influence

2.3 多層多道次熔覆研究

基于最佳的道次間距，本文繼續(xù)進(jìn)行了多層多道次（3 層10 道次）熔覆試驗(yàn)。圖7 展示了3 個(gè)熔覆層的位置關(guān)系，在熔覆層橫截面上可以看到有20 個(gè)道次，這其實(shí)是各層在熔覆過(guò)程中有一定的位置錯(cuò)動(dòng)造成的。這種位置錯(cuò)動(dòng)是為了使新熔覆層更好地填充上一熔覆層的間隙而考慮的。圖8 對(duì)比了不同激光擺幅下(MM1、MM2、MM3)熔覆層表面形貌（圖8(a)）、橫截面組織（圖8(b)），和Mg（圖8(c)）和Al 元素（圖8(d)）分布情況。隨著激光擺幅增加（MM1 至MM3），熔覆層表面孔洞、橫截面裂紋和孔洞數(shù)量降低，其中采用最大激光擺幅的MM3 工藝下制備的熔覆層中缺陷最少。另外，激光擺幅增加顯著提升了Mg、Al 元素的均勻性。

圖7 多層多道次條件下熔覆層典型橫截面組織Fig. 7 Typical cross sectional microstructure of the cladding layer in multi-layer multi-path condition

圖8 多層多道次條件下不同激光擺幅時(shí)熔覆層：(a)表面形貌；(b) 橫截面組織；(c)Mg 元素分布；(d)Al 元素分布Fig. 8 The cladding layers in multi-layer multi-path condition with different laser swing amplitudes:(a)Surface morphology; (b) cross sectional microstructure; (c) Mg distribution; (d) Al distribution

圖9 為采用激光擺動(dòng)對(duì)Al 合金熔覆品質(zhì)提升的機(jī)理圖。當(dāng)激光無(wú)擺動(dòng)時(shí)，由于激光能量集中在熔池中心，容易形成很大的熔深，同時(shí)熔寬有限的情況下無(wú)法正常形成各道次熔覆層的有效搭接。在增加激光擺幅的情況下，激光加熱能量會(huì)更均勻地在Mg 合金基材表面分散，這可以有效增加熔池寬度（熔寬），同時(shí)避免形成過(guò)大熔深。熔寬的增加提升了各道次熔覆層的搭接率，使得熔覆層更加連續(xù)，有利于減少氣孔等缺陷，也有利于降低熔覆層中的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而減少開(kāi)裂傾向，提高熔覆層質(zhì)量。

圖9 激光擺動(dòng)輔助下Al 合金熔覆機(jī)理圖Fig. 9 Mechanism of Al alloy cladding assisted with laser swing

3 結(jié)論

本研究使用AZ80A 鎂合金作為基材，使用5556 鋁合金作為熔覆合金，進(jìn)行了單層單道次、單層多道次（5～6道次）和多層多道次（3層10道次）的激光電弧復(fù)合熔覆試驗(yàn)。單層單道次試驗(yàn)結(jié)果表明，熔覆層寬度穩(wěn)定性受熔覆速度變化的影響最大，熔覆層深度受激光加熱（包括激光功率和激光擺幅）影響最大，熔覆層高度受熔覆速度和送絲速度影響最大。單層多道次試驗(yàn)表明，增加激光擺幅時(shí)，熔深變小，熔寬變大，熔覆層之間的搭接效果明顯增加。多層多道次試驗(yàn)結(jié)果表明，激光擺幅增加顯著提升了Mg、Al 元素的均勻性?？傊?，當(dāng)激光無(wú)擺動(dòng)時(shí)，熔覆層寬度有限，無(wú)法正常形成各道次熔覆層的有效搭接，且缺陷較多。在增加激光擺幅的情況下，激光加熱能量會(huì)更均勻地在Mg 合金基材表面分散，有效增加了熔寬，提升了各道次熔覆層的搭接率，使得熔覆層更加連續(xù)，內(nèi)部缺陷減少，熔覆層質(zhì)量提升。