激光熔覆制備鋁硅梯度材料

孫澤陽 華鵬 李枘 周偉 李先芬

摘要：以1050鋁合金為基體，利用激光熔覆技術成功制備了從Al-70Si到近乎純硅的超高硅含量的鋁硅梯度材料，觀察和分析熔覆層的截面形貌、顯微組織、物相組成成分和硬度等。研究結果表明，熔覆層內部組織的分布為最外層初晶硅含量最多，尺寸也最大;從熔覆層表面到基體處，初晶硅的體積分數及尺寸逐漸減少，呈梯度變化。硅顆粒形貌由長條狀轉變為多邊形狀，靠近基體處的顆粒趨于圓片狀，分析認為硅顆粒形貌的不同是由于溫度梯度和凝固快慢不同導致的，與熔池大小和停留時間相關。鋁硅梯度材料的硬度分布為最外層硬度較高，由外向內硬度逐漸減少，呈梯度變化。

關鍵詞：鋁合金;激光熔覆;鋁硅;梯度材料

中圖分類號：TG456.7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）11-0012-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.03

0 前言

相較于傳統的合金材料、復合材料等，功能梯度材料的設計概念更為先進。該材料是組分和結構沿一定方向（一維、二維或三維）呈梯度變化（這個變化是連續的），使得其性能與功能也隨之呈梯度變化的非勻質新型材料[1-5]。1987年日本學者新野正之等人[6]首次提出功能梯度材料，經過幾十年的深入探索與不懈研究，國內外在功能梯度材料的制備方面日漸成熟。其主流制備方法有：氣相沉積法、等離子噴涂法、自蔓延高溫合成法、粉末冶金法、激光熔覆法等[7-8]。

文中選用激光熔覆法制備梯度涂層，其突出優勢在于不受基體大小（氣相沉積法不適合進行大尺寸梯度材料的沉積）、合金體系（適合自蔓延高溫合成法的合金體系非常稀少，限制其應用范圍）、模具（模具限制了粉末冶金法制備形狀和尺寸）等限制[9-12]，且能達到良好的冶金結合（等離子噴涂法不足之處在于基體結合力不高導致強度低，梯度涂層組織中存在較多的疏松與孔洞，大概率會成為涂層失效的裂紋源[13]）。而且激光熔覆法可以利用激光束高能密度大、加熱速度快的特點，以達到超快速凝固，其制備時間短，適用場所廣泛。

李艷霞等[14]以A390鋁合金為坯料，制備出硅體積分數15%～25%的近活塞形杯狀樣品，高硅杯底處能滿足活塞零件的強度要求，低硅杯壁處能滿足活塞高導熱的要求;Yu等[15]采用離心技術成功制備出共晶Al-6%Si合金梯度功能材料，由內向外，初晶硅的體積分數及尺寸硬度、耐磨性均逐漸減小，且呈梯度變化。

由于常規方法制備高硅鋁合金時難以獲得超高硅含量的材料，而且電子封裝不同部位對硅含量有著不同要求。文中以制備出超高硅含量的梯度材料為出發點，通過控制激光熔覆每層組元的成分比例，探究了硅含量從70%逐層遞增到接近100%的鋁硅梯度材料制備的可能性。通過觀察和分析熔覆層的截面形貌、顯微組織、物相組成成分、硬度等，探究了成分梯度變化對其組織及性能的影響。

1 試驗方法

試驗選用1050鋁合金板作為激光熔覆的基體材料，主要原因是其便于加工及成型，在其表面預置硅粉或鋁硅混合粉末，進行一層或多層激光熔覆，可用于制備不同成分的高硅鋁合金表層材料及塊體材料。1050鋁合金主要化學成分如表1所示，其中Al含量大于等于99.5%。用于激光熔覆的粉末材料為純度99.9%、顆粒度9.8 μm、熔點1 410 ℃的Si粉，以及純度99.9%、顆粒度98 μm、熔點660 ℃的Al粉，用激光粒度儀測試熔覆粉末的顆粒度，結果如圖1所示。

1.1 試驗設備

試驗所用設備有激光粒度儀、LWS-1000型Nd：YAG激光器、PG-2B型拋光機、DK7735 型電火花線切割機、HT630CN金相顯微鏡、stemi305型體視鏡、掃描電子顯微鏡、立式萬能磨損試樣機等。

在1050鋁合金表面單層激光熔覆硅粉制備高硅鋁合金，通過控制鋁粉與硅粉的質量比可以得到特定組元分數的高硅鋁合金。之后再通過不斷變化每一層鋁粉與硅粉的質量比，制備出組元梯度變化的鋁硅梯度材料。

具體實施工藝為：第一層進行純硅粉單層激光熔覆，得到Al-70Si熔覆層;第二層鋁粉與硅粉混合質量比例為3∶7;第三層鋁粉與硅粉混合質量比例為2∶8;第四層鋁粉與硅粉混合質量比例為1∶9;第五層為純硅粉。激光工藝參數為：每層厚度250 μm，選擇激光掃描速度為200 mm/min，激光輸出功率250 W，光斑直徑0.6 mm，脈寬2 ms，激光頻率25 Hz，離焦量1 mm，搭接率50%。

2 試驗結果及分析

2.1 截面形貌

多層激光熔覆制備鋁硅梯度材料截面形貌如圖2所示，靠近上表面處產生少量微裂紋，推測是硅含量過高所導致。熔覆層顏色深淺不同是不同位置硅含量不同導致。多層熔覆后，與基體結合良好。

2.2 顯微組織分析

2.2.1 金相分析

多層激光熔覆制備鋁硅梯度材料金相組織如圖3所示。可以看出，內部組織為初晶硅，無明顯共晶組織，硅顆粒尺寸從表面到界面處逐漸減小，硅顆粒形貌由長條狀轉變為多邊形狀，在靠近基體處，顆粒趨于圓片狀，硅顆粒形貌的不同是由溫度梯度和凝固快慢不同所致，與熔池大小和停留時間相關。在靠近基體側，由于溫度梯度高、冷卻速度快，硅顆粒趨于圓潤，且尺寸較為細小，一般小于10 μm;在靠近表面處，由于硅含量過高，近乎純硅，出現少量裂紋，但仍達到較好的冶金結合。在金相組織中觀察到少量孔隙，這可能是多層熔覆的快速凝固過程導致的，硅相在熔池內部劇烈對流，在熔池邊界快速凝固，一些部位凝固收縮后形成少量孔隙。

2.2.2 XRD測試

對梯度材料上表面進行XRD測試，結果如圖4所示，上表面近乎純硅，有少量鋁存在。這表明多層熔覆后的表面硅含量高，且達到一定冶金結合，與試驗設計結果相符合。

2.2.3 截面元素分析

鋁硅梯度材料截面元素分布如圖5所示。可以看出，從熔覆層到基體，Al元素百分比含量逐漸增多，Si元素百分比含量逐漸減少，與試驗設計思路相符合，界面逐層堆積，硅含量逐漸升高，實現了材料成分的梯度變化。

2.3 硬度測試

通過控制激光熔覆每層組元，制備了從Al-70Si到近乎純硅的鋁硅梯度材料。硅作為硬質相，能夠顯著提高材料硬度。在激光熔覆截面上，沿表面向基體方向取點，間隔0.05 mm，載荷200 g，加載時間10 s。截面硬度曲線如圖6所示，可以看出，硬度值逐漸降低，最高值約為600 HV，在靠近基體側，硬度值下降至約200 HV，母材硬度值約為34 HV。硬度值主要由硅顆粒尺寸和形貌決定，也與硅含量多少相關，一般情況下，硅含量越高，硬度值越高。

3 結論

（1）利用激光熔覆技術成功制備出超高硅含量的鋁硅梯度材料，完成了試驗的設計方案，實現了材料成分的梯度變化。

（2）鋁硅梯度材料熔覆層內部組織的分布為最外層初晶硅含量最多，尺寸也最大;從熔覆層表面到基體處，初晶硅的體積分數及尺寸逐漸減少，呈梯度變化。硅顆粒形貌由長條狀轉變為多邊形狀，在靠近基體處，顆粒趨于圓片狀;硅顆粒形貌的不同是溫度梯度和凝固快慢不同所致，與熔池大小和停留時間相關。

（3）鋁硅梯度材料的硬度分布為最外層硬度較高，由外向內逐漸降低，呈梯度變化。

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