7075鋁合金表面制備AlSi10Mg涂層

摘要： 以AlSi10Mg合金粉末為熔覆材料，在7075鋁合金基體上進(jìn)行單層單道激光熔覆實(shí)驗(yàn)，研究激光功率、掃描速率、送粉率對(duì)熔覆層成形的影響規(guī)律，以闡述稀釋率較高和氣孔率較低現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：隨著激光功率的增加，熔覆層寬度增大、高度減小；當(dāng)激光功率增加到一定程度后，增加送粉率會(huì)使熔覆層的寬度和高度顯著增大；而送粉率較低時(shí)，掃描速率對(duì)熔覆層寬度和高度的影響較小。激光功率較高時(shí)，基材和粉末熔合充分，產(chǎn)生的氣泡較少；同時(shí)，送粉率較低時(shí)，熔覆層的高度較低，更利于氣泡從熔池中逸出，熔覆層氣孔率降低至0.07％。因此，在較高激光功率搭配較低送粉率的工藝下會(huì)形成高度較低的熔覆層，整體稀釋率較高。此結(jié)果為降低鋁合金激光熔覆氣孔缺陷提供一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：

激光熔覆；鋁合金；熔覆層成形；稀釋率；氣孔率

中圖分類號(hào)： TG174

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

7075鋁合金由于比強(qiáng)度高、密度低、易加工等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，因此對(duì)其性能要求也逐漸提高^［1-2］。相對(duì)其復(fù)雜的工作環(huán)境而言，7075鋁合金表面性能如硬度、耐磨性、耐腐蝕性等較低^［3-4］，無法滿足工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)更高的使用需求，因此需對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化。激光熔覆技術(shù)通過高能量激光束將合金粉末在基體表面熔化、凝固，從而在基體表面形成熔覆涂層，可以實(shí)現(xiàn)在低性能零件表面制備高性能涂層的目的^［5-6］。AlSi10Mg合金粉末是較為典型的激光熔覆材料，其熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)高，且易與鋁合金進(jìn)行激光結(jié)合，增強(qiáng)鋁合金表面的力學(xué)性能與耐腐蝕性，造價(jià)低廉，制造成本低^［7］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者基于選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)對(duì)AlSi10Mg和7075鋁合金激光熔覆做了大量研究工作^［8］。張鵬飛等^［9］采用激光熔覆技術(shù)在7075鋁合金表面制備了Ti/TiBCN復(fù)合涂層，研究了工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合涂層的微觀組織及性能的影響；閆泰起等^［10］基于SLM技術(shù)，研究了鋪粉層厚對(duì)AlSi10Mg合金質(zhì)量及成形效率的影響；張文奇^［11］基于SLM技術(shù)對(duì)AlSi10Mg鑄造鋁合金的成形進(jìn)行了工藝研究，大大提升了AlSi10Mg的沉積態(tài)拉伸強(qiáng)度。SLM技術(shù)所采用的輸粉方式為鋪粉式，這種方式可以進(jìn)行復(fù)合粉末的熔覆，有利于對(duì)熔覆材料的研究，但會(huì)降低加工效率，不利于實(shí)際生產(chǎn)。

在實(shí)踐應(yīng)用中，激光直接金屬沉積（LDMD）技術(shù)的輸粉方式為同步送粉式，相較于鋪粉式更具備生產(chǎn)效率^［12］。CHEN等^［13］基于LDMD技術(shù)制備AlSi10Mg合金，通過表征熔覆層的硬度和力學(xué)性能，證明了LDMD技術(shù)適用于AlSi10Mg合金的制備；LIU等^［14］基于LDMD技術(shù)制備AlSi10Mg合金熔覆層，以測(cè)量熔覆層相對(duì)密度的角度對(duì)熔覆工藝進(jìn)行了改善；GAO等^［15］基于LDMD技術(shù)研究了不同工藝參數(shù)對(duì)熔覆層氣孔率的影響，分析了熔覆層氣孔的產(chǎn)生機(jī)理。這些研究基于LDMD技術(shù)以不同角度改善了AlSi10Mg熔覆層制備工藝，證明了7075鋁合金可通過熔覆AlSi10Mg提升耐磨性、耐腐蝕性等表面性能^［16］，但是缺乏對(duì)熔覆層的外觀形貌、稀釋率、氣孔率這三個(gè)重要因素的綜合評(píng)價(jià)。

本研究以7075鋁合金為基體，AlSi10Mg為熔覆粉末材料，基于LDMD技術(shù)分析激光熔覆工藝參數(shù)的改變對(duì)熔覆層的外觀形貌、稀釋率、氣孔率所造成的影響，以期能有助于提升熔覆層質(zhì)量，為后續(xù)的研究提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激光熔覆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由激光熔覆頭、激光發(fā)生器、送粉器、保護(hù)氣、水冷機(jī)、工作臺(tái)等部分組成，系統(tǒng)設(shè)備實(shí)物圖見圖2。激光熔覆系統(tǒng)的工作流程：粉末材料在送粉氣的作用下經(jīng)過同軸噴嘴到達(dá)基體表面，激光發(fā)生器則發(fā)射激光并傳送到激光熔覆頭，產(chǎn)生的高能激光束熔化基體與到達(dá)基體表面的粉末形成熔覆層，與此同時(shí)激光熔覆頭按照程序設(shè)定的軌跡進(jìn)行掃描，掃描結(jié)束即可得到實(shí)驗(yàn)所需的單層單道熔覆層。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基體材料為7075鋁合金（深圳市鴻年金屬材料有限公司），激光熔覆粉末材料選取AlSi10Mg粉末（成都科太隆合金有限公司），粉末粒徑分布范圍為50～90 μm，其化學(xué)成分見表1和表2。

1.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前先用真空干燥箱對(duì)熔覆粉末進(jìn)行干燥，再打磨掉基體表面的氧化層，用無水乙醇進(jìn)行清洗，最后用電吹風(fēng)將基體表面吹干。采用數(shù)控機(jī)床對(duì)激光掃描路線進(jìn)行編程，實(shí)驗(yàn)后使用電火花線切割將試件沿垂直于掃描方向切開熔覆試件。為便于光學(xué)顯微鏡觀測(cè)，先將切割后的截面依次使用240、400、600、1000、1200、2000目金相砂紙打磨，再進(jìn)行拋光、清洗，最后通過光學(xué)顯微鏡觀察熔覆層金相。激光功率、掃描速率和送粉率的范圍分別為3800～4200 W、200～300 mm·min^-1、16～33 g·min^-1。

通過采用單一變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，工藝參數(shù)設(shè)置與試樣編號(hào)見表3，分析單一變量（激光功率、掃描速率和送粉率）的改變對(duì)熔覆層的高度和寬度、稀釋率、氣孔率所產(chǎn)生的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層外觀形貌的影響

結(jié)合表3中的工藝參數(shù)和不同工藝參數(shù)下各試樣的外觀形貌（圖3）可知，激光功率對(duì)熔覆層的寬度與高度都有影響：對(duì)于試樣號(hào)1、2、7，掃描速率為250 mm·min^-1、送粉率為26 g·min^-1時(shí)，熔覆粉末供給較為充分，熔覆層線條連續(xù)均勻，因此固定此工藝參數(shù)觀察激光功率對(duì)熔覆層形貌的影響，結(jié)果如圖4（a）所示，在此功率范圍內(nèi)，隨著激光功率的增大，單位能量密度增加，因此熔覆層的寬度逐漸增加，而單位時(shí)間內(nèi)送粉量固定，因此熔覆層高度逐漸減小。

掃描速率的改變對(duì)熔覆層形貌的影響較?。喝绫?和圖3中的試樣號(hào)5、6、8，激光功率為4200 W、送粉率為16 g·min^-1時(shí)，掃描速率對(duì)熔覆層形貌的影響如圖4（b）所示，隨著掃描速率的增加，單位能量密度雖然減小，但由于送粉量供給不夠充分，熔覆層的寬度和高度沒有較為明顯的變化。

送粉率對(duì)寬度和高度的影響較大：如表3和圖3中的試樣號(hào)2、3、4，激光功率為4000 W、掃描速率為250 mm·min^-1時(shí)，送粉率對(duì)尺寸的影響如圖4（c）所示，激光功率較大時(shí)，隨著送粉率的增加，粉末供給越充分，熔覆層的寬度和高度隨之增加。

2.2 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層稀釋率的影響

在熔覆過程中，激光束在熔化合金粉末的同時(shí)，也會(huì)將基體材料的表面一并熔化成液體，此時(shí)兩種液體會(huì)進(jìn)行融合、冷卻，最終形成熔覆層。稀釋率即基體材料的熔化對(duì)合金粉末熔覆產(chǎn)生的稀釋程度。稀釋率過大，合金粉末本身的材料性能將會(huì)受到影響，降低對(duì)基體表面的保護(hù)程度；稀釋率過小，會(huì)導(dǎo)致熔覆層與基體之間的粘合強(qiáng)度下降。因此，稀釋率對(duì)熔覆層質(zhì)量有著重要影響^［17］。激光熔覆層示意如圖5，式（1）為稀釋率公式^［17］。

η＝hh+H×100％，（1）

式中η、h、H分別為稀釋率（%）、熔池深度（mm）、高于基體表面的熔覆層高度（mm）。

通過表4中的稀釋率數(shù)據(jù)和觀察熔覆層光學(xué)金相圖（圖6）可以發(fā)現(xiàn)： 熔覆層整體稀釋率偏高，范圍在52%～87%之間。稀釋率偏高也是因?yàn)榧す夤β瘦^大導(dǎo)致熔池過深，同時(shí)送粉率較小導(dǎo)致熔覆層高度較低，最終使得稀釋率過高。

2.3 工藝參數(shù)對(duì)熔覆層氣孔率的影響

激光熔覆層內(nèi)的氣孔會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中、出現(xiàn)裂紋，而氣孔率過高則會(huì)使熔覆層的強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致力學(xué)性能下降，同時(shí)還會(huì)影響熔覆層的成形質(zhì)量，當(dāng)進(jìn)行多層激光熔覆時(shí)熔覆層的缺陷也會(huì)不斷累積。式（2）為氣孔率公式^［18］。

φ=S1S2×100％，（2）

式中φ、S1、S2分別為氣孔率（%）、氣孔面積（mm2）、熔覆層面積（mm2）。

使用Matlab軟件對(duì)熔覆層圖像進(jìn)行二值化閾值處理^［19］，即將原始圖像處理為僅有兩個(gè)值的二值圖像，圖7為計(jì)算氣孔率的流程示意，獲得氣孔像素?cái)?shù)量和熔覆區(qū)域像素?cái)?shù)量之后，代入式（2）最終得到氣孔率結(jié)果。

通過表4中的氣孔率數(shù)據(jù)和觀察熔覆層光學(xué)金相圖（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，所有試樣號(hào)的氣孔率均低于1%，主要集中在0.05%～0.32%之間。氣孔率整體偏低的原因主要是因?yàn)榧す夤β瘦^大，單位能量密度較高，有充分的熱量將基材和粉末熔合，因此不易產(chǎn)生氣孔，同時(shí)送粉率較低，熔覆層高度較低，利于氣泡從熔池內(nèi)逸出。根據(jù)氣孔形成機(jī)制的不同，鋁合金激光熔覆主要存在兩類氣孔^［20］，一類為氧化膜氣孔，其形狀不規(guī)則，由鋁合金氧化膜中的水分因受熱分解析出氫氣而形成；另一類氣孔為冶金氣孔，這類氣孔大多為球形，且內(nèi)壁光滑，由鋁液熔池中的氫氣析出而形成。根據(jù)對(duì)熔覆層橫截面的觀察，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的氣孔呈球形，也都是以冶金氣孔為主。

3 結(jié) 論

對(duì)7075鋁合金表面熔覆單層單道AlSi10Mg進(jìn)行研究，采用單一變量法分析不同工藝參數(shù)對(duì)熔覆層形貌的影響，解釋稀釋率較高的原因，并結(jié)合金相圖與Matlab軟件分析熔覆層氣孔率，結(jié)論如下：

（1）熔覆層整體稀釋率在52%～87%之間，主要是因?yàn)檎w的激光功率較大而送粉率較小，導(dǎo)致熔覆層高度較低而熔池過深，使得稀釋率整體偏高。

（2）熔覆層表面無明顯孔洞與裂紋等缺陷，即激光熔覆過程較為穩(wěn)定，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小。整體激光功率較大，基材和粉末熔合較為充分，不易產(chǎn)生氣孔，同時(shí)送粉率較小導(dǎo)致熔覆層高度較低，利于氣泡從熔池內(nèi)逸出，因此熔覆層橫截面的氣孔率整體偏小，均低于1%。

（3）試樣號(hào)4（激光功率4000 W、掃描速率250 mm·min^-1、送粉率33 g·min^-1）的熔覆層高度與寬度較大，整體熔覆層線條均勻連續(xù)，具有較好的宏觀成形以及較高的熔覆層質(zhì)量。稀釋率較低，無明顯熔覆缺陷，氣孔率低至0.15%，綜合評(píng)測(cè)其工藝最佳。

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Preparation of AlSi10Mg Coating on 7075 Aluminum Alloy

ZHOU Mingqi， TAN Zhuoming， JIN Jie， QIN Xudong， ZHANG Zhao， YU Tao

（School of Electromechanical and Automotive Engineering， Yantai University， Yantai 264005， China）

Abstract：A single-layer single-pass laser cladding test on 7075 aluminum alloy substrate with AlSi10Mg alloy powder as the cladding material is designed. The influence of laser power， scanning speed and powder feeding rate on the molding of the cladding layer is investigated， for explaining the phenomena of higher dilution rate and lower porosity. Results show that the width of the cladding layer increases while the height decreases with the laser power increasing. When the laser power increases to a certain degree， the height and width of the cladding layer increase significantly with the increase of the powder feeding rate. The scanning speed exerts a minimal effect on the width and height of the cladding layer at low power feeding rates. When the laser power is higher， the substrate and powder are fused sufficiently and fewer bubbles are generated. At the same time， a smaller powder feeding rate leads to a lower height of the cladding layer， which is more favorable for bubbles to escape from the melt pool， and the porosity of the cladding layer is reduced to 0.07%.Therefore， a higher laser power coupled with a lower powder feeding rate results in a diminished cladding layer height， signifying an elevated overall dilution rate. Consequently， the result provides guidelines for the reduction of aluminum alloy laser cladding porosity defects.

Keywords：laser cladding; aluminum alloy; cladding layer forming; dilution rate; porosity

（責(zé)任編輯 周雪瑩）