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（鄂爾多斯職業學院，內蒙古　鄂爾多斯　017000）

?

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
（鄂爾多斯職業學院，內蒙古鄂爾多斯017000）

摘要：筆者將對鋁合金表層激光熔覆的工藝以及原料配方等實施解析，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。運用掃描電子顯微鏡、X射線衍射以及顯微硬度等設備或數據來解析熔覆層的組織以及特性。通過實踐證實：熔覆層中的成分以及硬度分布相對勻稱，物相構成元素是A1、A12Ni6Y3以及A13Ni2相。

關鍵詞：鋁合金；激光熔覆；合金涂層；組織；特性

鋁合金因為密度低、熱膨脹系數小、比模數以及強度-重量比大等先天優勢，多用于光學精密設備、慣性元件、動力設備活塞、直升機起落架、彈殼、導彈鑲嵌構造、汽車車身等方面。

1　試驗原料以及模式

基底原料采用2024，我國將其稱為2A12，類似于LY12，常規使用的板材標準是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，有著極佳的強度和優秀的切削加工特性，然而抗銹蝕性不甚理想。普及使用于飛機構造（蒙皮、骨架、肋梁、隔框等）、卯榫結構、導彈元件、汽車輪轂、螺旋槳零件和它類的構造領域，是Al-Cu-Mg系。

于表層使用華工激光的JKR5130A類5kw連續CO2激光設備實施激光熔覆，對熔覆層實施同工藝以及同環境的重熔。實驗過程的數據：激光功率3.8千瓦；光斑直徑5毫米；掃描速率10毫米/秒；保護氣化物是Ar；流量5-6升/分。使用激光熔覆以后，熔化區深度達到1.32毫米；熔覆層厚度達到1.555毫米；稀釋度達到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定熔覆層的構造情況等等，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顯微硬度計測定涂層斷面的顯微硬度，試驗載荷維持在1.96N，保壓時間是15秒。

2　試驗成果以及解析

2.1組織構造以及能譜解析

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圖，熔覆層展示出顯著的明暗區別，較亮的區域與較暗的區域間有一定的灰色地帶。從圖1a能夠發現，熔覆層和基體的融合部有著顯著的外延生長枝晶，這說明熔覆層和基體能夠通過冶金熔合。對比1b、1c以及1d，從熔覆層底端到表層，較暗的區域增多，較亮的區域變少。較暗區域從圖1b內的不勻稱細粒型轉變為圖1d內的大塊形。在熔覆層與基體的融合不又產生了暗區增加的現象。（參考圖1a）

圖1　從熔覆層底端到表層的掃描電鏡背散射簡圖

熔覆層線掃描方位結果說明：因為熔覆階段內區域偏析的原因，從熔覆層邊沿到核心，區域視角下成分未達到勻稱狀態，熔覆金屬以柱狀晶的態勢變大，把過飽和溶質注入熔池核心部位，核心位置溶質濃度逐步攀升，讓最終凝結的位置產生極大的偏析。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勢。通過觀測掃描結果圖，熔合區的A1元素劇增，說明熔化的A1合金對熔覆層形成了稀釋；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，然而試驗中微小的Y以及Ni粉，在激光的照射下熔化，并因為密度比鋁合金熔液大而沉積到熔池底端。因此通過對縱方向的成分掃描成果來說，在熔覆層上端的疏松結構內，Y以及Ni的數量相對不多，在熔覆層底端的Y與Ni數量較多。然而其和基體熔合區因為基材的稀釋比較明顯，相對含量會下降。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：熔覆層各個部位都產生了微量氧氣、Mg以及銅等，這事因為激光熔覆階段形成了微小的氧化，基材的Mg與銅熔化后會在熔池內產生位移，和熔覆原料融合，讓基體和熔覆層形成冶金狀態。

對熔覆層成分含量進行解析能夠看到：熔覆層各位置成分分布較為勻稱。因為鋁的密度偏低，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

通過對激光熔覆層中的電子顯微鏡對應的點掃描成果的解析，筆者發現熔覆層中較亮區域與較暗區域都摻雜了A1、Y以及Ni，通過對比其成分元素，發現較暗區域的鋁元素比較亮區域的為多，通常是鋁元素為主要元素的化合物；較亮區域Y與Ni元素較多，是以Y與Ni為主要元素的化合物匯集區域。

而通過對比熔覆層XRD的衍射圖像，并參照A1-Ni-Y相圖以及對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。因為融合合金內A1元素較多，所以大批的純度極高的A1凝結；此時金屬熔覆層的相散布規律應該是：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“捕捉”，而位于原來的方位會妨礙枝晶的生長，讓枝晶碎裂，生長走向變得混亂。

2.3熔覆硬度解析

通過對熔覆層物相解析，能夠得出其組織與性能，此處再參考硬度解析結果。而通過使用維氏硬度計，在熔覆層深寬方位勻稱情況下實施檢測，測定熔覆層硬度分布的成果。由分布成果能夠發現：熔覆層硬度達到60HV之上。因為激光掃描極為迅速，熔池運動沒有定律可循，讓熔覆層中的合金元素散布情況紊亂；右端的A1-Ni相含量相對較多，所以熔覆層中左端的硬度與右端的硬度并不統一。

通過對熔覆層縱方位的硬度實施解析，熔覆層核心部位從表層到根端硬度是勻稱的，并且其硬度達到70-90HV，相對橫向硬度變大。究其原因，是因為宏觀偏析造成。就是說熔覆凝結結晶的階段，將過飽和溶質Y 與Ni推移到熔池核心位置，核心部位溶質的濃度開始攀升，并在熔覆層中央位置構成A1-Y-Ni金屬間化合物，對熔覆層內縫隙位置的硬度是一種強化。

為了更好地對比顯微硬度解析成果，筆者在此結合A1+Y的粉熔覆層顯微硬度進行探討。

對激光熔覆區平行位置且間距在0.25-0.5毫米的母材表層以及熔覆層核心位置深度方位，對樣本B-1、B-2、C-1、C-2進行了微型顯微鏡硬度試驗，承受的負載是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，能夠為激光熔覆層的機械特性的分析與預估提供參考；而且能對熔覆層的組織散布情況以及集體鋁合金在熔覆層的流動情況進行定性預估。

通過掌握樣本在熔覆層橫斷面到熔覆層表層的基體內里的硬度散布情況進行解析，能夠得到熔覆層橫向硬度散布圖譜。用HX-500型維氏硬度計進行試驗，試驗載荷是200gf，加載時長達到15秒。

通過實驗能夠看到，熔覆區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。熔覆區與基體區合金的加強模式不一樣，基體區是銅、鎂等的固溶強化；而熔覆區的合金通常通過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純鋁的硬度值。熔覆層內部的硬度值趨近于表層的最高值，部分區域已經趨近于基體的硬度。

3　結束語

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A1元素分布勻稱；熔覆層的相構成是A1、A12Ni6Y3、以及A13Ni2三相，熔覆層內部組織密實，熔覆層與母材有很好的冶金結合；熔覆層的硬度從最低階段的60HV到最高階段的120HV明顯增強。

參考文獻：

［1］張健，胡玉，譚小軍等.45鋼基體上激光熔覆Ni60A合金涂層的顯微組織和高溫摩擦學行為［J］.中國有色金屬學報（英文版），2015（05）:1525-1532.

［2］楊文鋒，劉穎，伍曉勇等.大氣等離子噴涂制備Fe-Ni-B 合金涂層-321不銹鋼層狀復合材料的射線屏蔽性能研究？［J］.功能材料，2015（09）:9076-9080.

［3］蔣穹，繆強，仝飛等.電弧噴涂Al-Zn-Si-RE合金涂層在3.5%NaCl溶液中的電化學腐蝕行為［J］.中國有色金屬學報（英文版），2014（08）:2712-2721.

［4］邱星武，張云鵬，劉春閣等.激光熔覆法制備Al2CrFeCoxCuNiTi高熵合金涂層的組織與性能［J］.粉末冶金材料科學與工程，2013（05）:735-740.

項目名稱：鋁及鋁合金制件表面稀土涂層制備，項目編號：EJY1404。

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

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