铝合金表面激光熔覆铝钇合金涂层的组织与性能研究

刘小斐（鄂尔多斯职业学院，内蒙古　鄂尔多斯　017000）



铝合金表面激光熔覆铝钇合金涂层的组织与性能研究

刘小斐
（鄂尔多斯职业学院，内蒙古鄂尔多斯017000）

摘要：笔者将对铝合金表层激光熔覆的工艺以及原料配方等实施解析，并在铝合金表层制备了有着上佳冶金效果的铝钇合金涂层。运用扫描电子显微镜、X射线衍射以及显微硬度等设备或数据来解析熔覆层的组织以及特性。通过实践证实：熔覆层中的成分以及硬度分布相对匀称，物相构成元素是A1、A12Ni6Y3以及A13Ni2相。

关键词：铝合金；激光熔覆；合金涂层；组织；特性

铝合金因为密度低、热膨胀系数小、比模数以及强度-重量比大等先天优势，多用于光学精密设备、惯性元件、动力设备活塞、直升机起落架、弹壳、导弹镶嵌构造、汽车车身等方面。

1　试验原料以及模式

基底原料采用2024，我国将其称为2A12，类似于LY12，常规使用的板材标准是AMS-QQ-A-250/4（非包铝）；AMS-QQ-A-250/5（包铝）。2024的合金元素是Cu，还被叫做硬铝，有着极佳的强度和优秀的切削加工特性，然而抗锈蚀性不甚理想。普及使用于飞机构造（蒙皮、骨架、肋梁、隔框等）、卯榫结构、导弹元件、汽车轮毂、螺旋桨零件和它类的构造领域，是Al-Cu-Mg系。

于表层使用华工激光的JKR5130A类5kw连续CO2激光设备实施激光熔覆，对熔覆层实施同工艺以及同环境的重熔。实验过程的数据：激光功率3.8千瓦；光斑直径5毫米；扫描速率10毫米/秒；保护气化物是Ar；流量5-6升/分。使用激光熔覆以后，熔化区深度达到1.32毫米；熔覆层厚度达到1.555毫米；稀释度达到45.9%。

依激光扫描道的垂向位置获取横断面并制备金相，通过扫描电子显微镜以及能谱仪测定熔覆层的构造情况等等，并通过能谱仪解析，使用X射线衍射仪解析涂层物相；另外，通过HX-500显微硬度计测定涂层断面的显微硬度，试验载荷维持在1.96N，保压时间是15秒。

2　试验成果以及解析

2.1组织构造以及能谱解析

通过研究样本从熔覆层底端到表层的扫描电子显微镜背散射简图，熔覆层展示出显著的明暗区别，较亮的区域与较暗的区域间有一定的灰色地带。从图1a能够发现，熔覆层和基体的融合部有着显著的外延生长枝晶，这说明熔覆层和基体能够通过冶金熔合。对比1b、1c以及1d，从熔覆层底端到表层，较暗的区域增多，较亮的区域变少。较暗区域从图1b内的不匀称细粒型转变为图1d内的大块形。在熔覆层与基体的融合不又产生了暗区增加的现象。（参考图1a）

图1　从熔覆层底端到表层的扫描电镜背散射简图

熔覆层线扫描方位结果说明：因为熔覆阶段内区域偏析的原因，从熔覆层边沿到核心，区域视角下成分未达到匀称状态，熔覆金属以柱状晶的态势变大，把过饱和溶质注入熔池核心部位，核心位置溶质浓度逐步攀升，让最终凝结的位置产生极大的偏析。所以，铝元素横向分布定律作用下，其显示出抛物线的分布态势。通过观测扫描结果图，熔合区的A1元素剧增，说明熔化的A1合金对熔覆层形成了稀释；这类稀释完成了熔覆层与基体的冶金熔合。

铝钇的横向分布定律与A1相类，然而试验中微小的Y以及Ni粉，在激光的照射下熔化，并因为密度比铝合金熔液大而沉积到熔池底端。因此通过对纵方向的成分扫描成果来说，在熔覆层上端的疏松结构内，Y以及Ni的数量相对不多，在熔覆层底端的Y与Ni数量较多。然而其和基体熔合区因为基材的稀释比较明显，相对含量会下降。所以，Y以及Ni汇集在熔覆层中端或下端。

熔覆层扫描方位中表层、中央位置、根部的面扫描成果显示：熔覆层各个部位都产生了微量氧气、Mg以及铜等，这事因为激光熔覆阶段形成了微小的氧化，基材的Mg与铜熔化后会在熔池内产生位移，和熔覆原料融合，让基体和熔覆层形成冶金状态。

对熔覆层成分含量进行解析能够看到：熔覆层各位置成分分布较为匀称。因为铝的密度偏低，熔化后快速浮起，稀释熔覆合金；所以，A1元素的比例从以往的80%攀升到88%之上。熔覆层底端和基材碰触，稀释度较高。

通过上述解析得出：熔覆层扫描成果与线扫描成果基本符合，得到激光熔覆铝钇合金涂层的成分分布的组织与特性。

2.2熔覆层物相解析

通过对激光熔覆层中的电子显微镜对应的点扫描成果的解析，笔者发现熔覆层中较亮区域与较暗区域都掺杂了A1、Y以及Ni，通过对比其成分元素，发现较暗区域的铝元素比较亮区域的为多，通常是铝元素为主要元素的化合物；较亮区域Y与Ni元素较多，是以Y与Ni为主要元素的化合物汇集区域。

而通过对比熔覆层XRD的衍射图像，并参照A1-Ni-Y相图以及对电子显微镜扫描成果的解析，能够看出熔覆层中有着A1、A12Ni6Y3、A13Ni2三类相。因为融合合金内A1元素较多，所以大批的纯度极高的A1凝结；此时金属熔覆层的相散布规律应该是：富A1相；A12Ni6Y3、A13Ni2相通常位于枝晶间。就是说这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缝隙；抑或没有遭排除，而由枝晶生长“捕捉”，而位于原来的方位会妨碍枝晶的生长，让枝晶碎裂，生长走向变得混乱。

2.3熔覆硬度解析

通过对熔覆层物相解析，能够得出其组织与性能，此处再参考硬度解析结果。而通过使用维氏硬度计，在熔覆层深宽方位匀称情况下实施检测，测定熔覆层硬度分布的成果。由分布成果能够发现：熔覆层硬度达到60HV之上。因为激光扫描极为迅速，熔池运动没有定律可循，让熔覆层中的合金元素散布情况紊乱；右端的A1-Ni相含量相对较多，所以熔覆层中左端的硬度与右端的硬度并不统一。

通过对熔覆层纵方位的硬度实施解析，熔覆层核心部位从表层到根端硬度是匀称的，并且其硬度达到70-90HV，相对横向硬度变大。究其原因，是因为宏观偏析造成。就是说熔覆凝结结晶的阶段，将过饱和溶质Y 与Ni推移到熔池核心位置，核心部位溶质的浓度开始攀升，并在熔覆层中央位置构成A1-Y-Ni金属间化合物，对熔覆层内缝隙位置的硬度是一种强化。

为了更好地对比显微硬度解析成果，笔者在此结合A1+Y的粉熔覆层显微硬度进行探讨。

对激光熔覆区平行位置且间距在0.25-0.5毫米的母材表层以及熔覆层核心位置深度方位，对样本B-1、B-2、C-1、C-2进行了微型显微镜硬度试验，承受的负载是200g，得到其硬度曲线图。（见图2、图3）

图2　熔覆层横向显微硬度曲线图

图3　熔覆层中线显微硬度曲线图

微型显微镜硬度能够映射熔覆层特性，通过比较相异配方的合金粉末在同等激光扫描情况下熔覆层的显微硬度散布情况，能够为激光熔覆层的机械特性的分析与预估提供参考；而且能对熔覆层的组织散布情况以及集体铝合金在熔覆层的流动情况进行定性预估。

通过掌握样本在熔覆层横断面到熔覆层表层的基体内里的硬度散布情况进行解析，能够得到熔覆层横向硬度散布图谱。用HX-500型维氏硬度计进行试验，试验载荷是200gf，加载时长达到15秒。

通过实验能够看到，熔覆区的硬度值比基体铝合金2034的硬度值为低，而相较于纯铝的硬度值要高。熔覆区与基体区合金的加强模式不一样，基体区是铜、镁等的固溶强化；而熔覆区的合金通常通过Y元素的作用让纯铝晶粒变得更为微小，其硬度值有所提升并超过工业纯铝的硬度值。熔覆层内部的硬度值趋近于表层的最高值，部分区域已经趋近于基体的硬度。

3　结束语

综上，在2024铝合金基体上能够冶金并制备铝钇合金涂层；熔覆层内A1元素分布匀称；熔覆层的相构成是A1、A12Ni6Y3、以及A13Ni2三相，熔覆层内部组织密实，熔覆层与母材有很好的冶金结合；熔覆层的硬度从最低阶段的60HV到最高阶段的120HV明显增强。

参考文献：

［1］张健，胡玉，谭小军等.45钢基体上激光熔覆Ni60A合金涂层的显微组织和高温摩擦学行为［J］.中国有色金属学报（英文版），2015（05）:1525-1532.

［2］杨文锋，刘颖，伍晓勇等.大气等离子喷涂制备Fe-Ni-B 合金涂层-321不锈钢层状复合材料的射线屏蔽性能研究？［J］.功能材料，2015（09）:9076-9080.

［3］蒋穹，缪强，仝飞等.电弧喷涂Al-Zn-Si-RE合金涂层在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为［J］.中国有色金属学报（英文版），2014（08）:2712-2721.

［4］邱星武，张云鹏，刘春阁等.激光熔覆法制备Al2CrFeCoxCuNiTi高熵合金涂层的组织与性能［J］.粉末冶金材料科学与工程，2013（05）:735-740.

项目名称：铝及铝合金制件表面稀土涂层制备，项目编号：EJY1404。

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

作者简介：刘小斐（1978-），女，内蒙古乌兰察布人，研究生，中级，研究方向：材料成型及铝合金表面激光改性技术研究。