AZ91D鎂合金表面激光熔覆Al+WC+La2O3復合涂層性能的研究

劉盛耀，張英喬，郭 昱

（中北大學材料科學與工程學院，山西太原030051）

AZ91D鎂合金表面激光熔覆Al+WC+La2O3復合涂層性能的研究

劉盛耀，張英喬，郭 昱

（中北大學材料科學與工程學院，山西太原030051）

在Al+WC復合粉末中添加不同量的La2O3，利用激光形成熔覆層。采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、能譜儀（EDS）分析不同含量的稀土La2O3對涂層的顯微組織、物相組成及性能影響。研究表明，由于稀土的加入，復合涂層的晶粒進一步細化。當稀土含量為1.2％時涂層的平均顯微硬度為280 HV，相比AZ91D鎂合金基體的60 HV提高了約4.5倍。

激光熔覆；Al+WC；La2O3；顯微硬度

0 前言

鎂合金是一種重要的輕質材料，因其較低的密度和較高的比強度增加了它在航空航天和汽車行業的應用范圍。然而鎂合金較差的耐磨性和耐腐蝕性限制了其潛在的應用[1]。陶瓷材料具有良好的耐磨、耐腐蝕和抗氧化性等優點，但陶瓷材料單獨使用時容易出現裂紋，因此將金屬粉末和陶瓷粉末混合制成復合涂層可以解決這一問題[2]。稀土元素可以改善激光熔覆涂層的組織和性能，增加涂層組織致密性，降低涂層與基體之間的熱膨脹系數，降低涂層中的熱應力，減少雜質和裂紋[3-4]。在此通過加入不同含量的La2O3粉末研究其對Al+WC涂層組織和性能的影響。

1 實驗方法

實驗使用壓鑄型鎂合金作為基體材料，將其加工成20 mm×15 mm×4 mm的塊狀。先用600＃SiC砂紙打磨，用酒精清洗去除油污，空氣中干燥。選取Al粉顆粒度為300目，WC粉顆粒度為500目，質量比9∶1。稀土元素分別以0.8％、1.2％、1.6％的百分比加入。使用水玻璃∶水的比例為1∶1配置粘合劑將上述三種粉末以膏狀形式涂覆在AZ91D表面，涂覆厚度0.4 mm，放于空氣中干燥。用脈沖激光器Nd-YAG進行熔覆，激光參數：光斑直徑1.1mm，速度150mm/min，電流120 A，頻率20 Hz，脈寬4 ms。實驗保護氣體采用氬氣，氣流量10 L/min。激光表面改性層的微觀結構采用光學顯微鏡和電子掃描顯微鏡觀察，通過X射線衍射儀分析涂層的物相組成。使用HVS-1000數顯硬度計測量涂層與基體的顯微硬度，施加載荷0.98 N，保壓時間15 s，取表面同一深度3個點的平均值作為一個測量值。

2 實驗結果和討論

2.1 顯微組織

圖1a、1b、1c為稀土La2O3含量為0％的涂層的金相顯微圖。

圖1 激光熔覆涂層顯微組織形貌Fig.1Microstructure of cross-section of laser clad coating

圖1a為激光熔覆后熔覆層的橫截面顯微組織形貌。按照組織不同，整個激光熔覆層沿層深方向大致可分為熔覆區、界面結合區和基體三個部分。圖1b為熔覆層結合處高倍下的組織形貌，可以看到涂層與基體結合良好，無裂紋和氣孔等缺陷。圖1c為熔覆層上部的顯微組織。綜合圖1b和圖1c可知，從基體到熔覆層表面的顯微組織出現明顯分層，原因是液體凝固時晶體生長形態取決于G/R（溫度梯度/凝固速度）[5]，在基體和熔覆層之間的結合區，G值很大而R值很小，G/R值很大，凝固所釋放的熱量全部向界面后方的固體散去，因此結合區的凝固組織為平行狀柱狀晶，且生長方向與結合面垂直。隨著遠離結合區，液態熔池的溫度梯度G逐漸變小而凝固速度R逐漸增加，此時熔覆層冷卻不僅通過已凝固的柱狀晶區，還通過周圍空氣介質輻射和對流散熱，液相中形成很寬的成分過冷區，滿足了形核對過冷度的要求，因此在剩余的熔池中同時形核[6]。此時晶核的長大速度在各個方向上幾乎相等，因此形成了等軸晶。圖1c～圖1f分別為稀土含量為0％、0.8％、1.2％和1.6％的熔覆層上部顯微組織，可以看出加入適量的稀土后，涂層晶粒逐漸細化。原因是稀土的加入減小了液態金屬的表面張力和臨界形核半徑，使得在同一時間內的形核質點數目明顯增加[7]。同時，稀土元素較活潑的化學性質易與其他元素反應生成化合物。這些化合物成為新的形核質點，提高了涂層的形核效率，從而細化了晶粒。但是稀土加入過量，會降低液態金屬的流動性，不利于凝固過程中的成分過冷，不利于晶粒細化。

2.2 物相分析

稀土La2O3含量為1.2％的熔覆層掃描圖如圖2所示。

圖2 顯微組織的掃描圖Fig.2SEM images of microstructure

圖2a為熔覆層結合處掃描圖，可以看到結合處有一道白色的亮白帶，EDS分析得到此處有較多的Mg、Al等元素存在，說明涂層與基體發生互熔，涂層與基體之間產生了良好的冶金結合。圖2a標記1處的EDS能譜測得含有61.27％Mg和34.45％Al，圖2a標記2處的EDS能譜測得含有64.64％Mg和33.50％Al，結合圖3和表1分析可知這些相為金屬間化合物Al12Mg17。圖2b為熔覆層中上部的掃描圖，標記3處和標記4處的EDS能譜測得分別含有w（W）=95.46％和w（W）=38.96％，結合圖3和表1說明分解的WC與Mg、Al元素反應生成的新相Al4W、Al18Mg3W2等金屬間化合物以及未分解的WC均以彌散相形式分布在熔覆層中，起到細化晶粒的作用和第二相強化的作用，改善了熔覆層的組織和性能。由圖3可知，La2O3含量為1.2％的涂層中，La與Al反應生成了LaAl3化合物，減少了涂層中Al元素的燒損，改善了涂層組織。同時，LaAl3作為形核質點，提高了形核率，細化了晶粒。

表1 結合處組織、WC和新相的能譜分析Table 1WC，new phase and interface of coating analysis by EDS

2.3 顯微硬度

加入不同稀土含量時熔覆層顯微硬度曲線如圖4所示，可以看出涂層的硬度明顯高于AZ91D鎂合金基體。原因一是激光的快速冷卻作用使得涂層晶粒來不及長大而得到細化；原因二是在激光的高溫下，大部分WC分解得到的C元素起到細化晶粒的作用；原因三是Al4W、Al18Mg3W2、Al3Mg2等金屬間化合物起到第二相強化的作用。當熔覆層不含稀土La2O3時，熔覆層的硬度變化趨勢為從表層到結合處逐漸升高直至鎂合金基體又出現大幅降低。原因是在激光熔覆過程中，涂層表面金屬元素發生燒損、雜質元素上浮、硬質相減少，從而導致表面硬度降低。通過對比可以看出，當加入稀土后，涂層的硬度趨于均勻，原因是稀土與涂層金屬元素發生反應生成化合物從而減少了涂層的金屬燒損，凈化和細化涂層組織，增加涂層的均勻性[8]。當稀土含量為1.2％時，熔覆層的平均硬度最高為280 HV，比鎂合金基體的60 HV提高了約4.5倍。隨著稀土含量增加到1.6％時，熔覆層硬度值開始下降，原因是過量的稀土作為一種雜質相，使熔池的流動性降低，涂層的組織變得不均勻，從而使顯微硬度有所下降[9]。

圖3 熔覆層的X射線衍射圖譜Fig.3X-ray diffraction spectrum of coating

圖4 不同含量La2O3的涂層的顯微硬度Fig.4Microhardness of the coating with different contents of La2O3

3 結論

（1）激光熔覆Al+WC+La2O3涂層，多數分解的WC與Mg、Al元素反應得到的新相細化了晶粒，改善了組織。部分未分解的WC以彌散相形式分布在涂層中，提高了涂層的顯微硬度。

（2）稀土La2O3加入，增加了形核速度和數量，有利于細化晶粒。同時，減少合金元素燒損，改善了熔覆層組織和性能。

（3）當稀土La2O3含量為1.2％時，涂層顯微硬度相對鎂合金AZ91D提高了約4.5倍。但是隨著稀土La2O3繼續增加，稀土本身成為涂層中的雜質相，降低組織的均勻性，從而降低了涂層的顯微硬度。

[1]Raynor G V.The Physical Metallurgy of Magnesium and its Alloys，Pergamon Press，London，1959，P1.

[2]黃偉榮，肖澤輝.AZ91D鎂合金表面激光熔覆Ni基+WC合金涂層[J].中國激光，2009，36（12）：3267-3271.

[3]杜挺.稀土元素在金屬材料中的作用和機制[J].金屬功能材料，1996，3（3）：81-86.

[4]劉光華.稀土材料學[M].北京：化學工業出版社，2007：13-79.

[5]胡漢起.金屬凝固[M].北京：冶金工業出版社，1985.

[6]崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2007.

[7]趙高敏，王昆林.La2O3對激光熔覆Fe基合金熔覆層顯微組織的影響[J].金屬熱處理，2004，29（4）：9-13.

[8]Zhu Rundong，Li Zhiyong.Microstructure and properties of the low-power-laser clad coating on magnesium alloy with different amount of rare earth addition[J].Applied Surface Science，2015（353）：405-413.

[9]王震，閆岸如，王智勇.La2O3稀土對激光熔覆WC/Ni基復合涂層性能改善的研究[J].金屬功能材料，2014，21（4）：14-17.

Laser surface cladding of AZ91D magnesium alloy with Al+WC+La2O3powders

LIU Shengyao，ZHANG Yingqiao，GUO Yu
（Deparment of Materials Science and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Different amounts of La2O3were added in the Al+WC composite powders，and the cladding layer was formed by the laser. The effect of different contents of La2O3on the microstructure and phase structure of coating was investigated by optical microscopy，scanning electron microscopy（SEM），X-ray diffraction（XRD），energy dispersive spectroscopy（EDS）.The results showed that due to the addition of rare earth,the grain of coating had been further refined.When the rare earth content was 1.2％，the hardness of the coatings（280 HV）compared to AZ91D magnesium alloy matrix（60 HV）increased about 4.5 times.

laser cladding；Al+WC；La2O3；microhardness

TG456.7

A

1001－2303（2017）01－0031-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.05

獻

劉盛耀，張英喬，郭昱.AZ91D鎂合金表面激光熔覆Al+WC+La2O3復合涂層性能的研究[J].電焊機，2017，47（1）：31-34.

2016-07-15

劉盛耀（1991—），男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事鎂合金表面激光改性的研究工作。