铝合金表面激光熔覆AI-Y-Ni合金涂层的组织与性能研究

林日东，黄安国

(1.华北光电技术研究所，北京 100015；2.华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉430074)

焊接工艺

铝合金表面激光熔覆AI-Y-Ni合金涂层的组织与性能研究

林日东1，黄安国2

(1.华北光电技术研究所，北京 100015；2.华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉430074)

通过对铝合金表面激光熔覆的工艺和材料配方的研究，在铝合金表面上制备了具有良好冶金结合的Al-Y-Ni合金层。应用扫描电镜、XRD衍射和显微硬度计分析了熔覆层组织和性能。结果表明，熔覆层内成分和硬度分布较为均匀，物相组成以Al、Al2Ni6Y3和Al3Ni2相为主。

激光熔覆；Al-Y-Ni；物相；成分；性能

0 前言

铝合金(包括铝基复合材料)由于具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高等诸多优异性能，在光学精密仪器、惯性器件、发动机活塞、直升机起落架、导弹壳体、导弹镶嵌结构、汽车车身、机车车厢和航空航天器结构等方面应用广泛[1-2]。然而，由于其较低的硬度和有限的耐磨损性能，使其在应用领域受到了极大的限制。近年来，Al-Y-Ni系列非晶由于其高抗拉强度、良好的抗弯曲性和优越的抗腐蚀性能显示出了巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注[3]。因此，在铝合金表面制备Al-Y-Ni非晶层必能极大改善铝合金表面性能，提高铝合金的应用范围。

本研究在2034铝合金基体上激光熔覆制备Al-Y-Ni合金涂层，分析和讨论了熔覆层的物相、元素分布和显微硬度分布特征，为应用激光熔覆技术制备Al-Y-Ni非晶层的可能性进行了探讨。

1 实验材料和方法

基底材料为2034铝合金，成分如表1所示。母板加工成50 mm×80 mm×10 mm的矩形块，涂覆前用丙酮除脂，烘干待用。熔覆粉末成分为w(Al)80%+w (Y)10%+w(Ni)10%粉，分别将上述粉末研磨到200目后均匀混合，然后用有机粘结剂涂覆于基材表面，涂层厚度2 mm。

表1 铝合金基体材料的化学成分Tab.1 Chemical composition of substrate

在预覆层表面采用华工激光的JKR5130A型5 kW连续CO2激光器进行激光熔覆，对熔覆层进行同工艺条件的重熔。试验工艺参数：激光功率38kW，光斑直径5mm，扫描速度10mm／s，保护气体为氩气，流量5～6 L／min。激光熔覆后，熔化区深度1.32 mm，熔覆层厚度1.555 mm，其稀释率为45.9%。

沿激光扫描道的垂直方向切取横截面制取金相，利用扫描电镜和能谱仪观察熔覆层组织形貌，并进行能谱分析，应用X射线衍射仪分析涂层物相。并采用HX-500显微硬度计实测涂层横截面显微硬度，实验载荷1.96 N，保压时间15 s。

2 实验结果和分析

2.1 组织形貌和能谱分析

图1为试样由熔覆层底部到表面的扫描电镜背散射图像，由图1可知，熔覆层呈明显的明、暗两区分布，明区和暗区之间有少量灰色区域。由图1a可以看出，熔覆层与基体结合区具有明显的外延生长枝晶，表明熔覆层与基体实现了良好的冶金结合。比较图1b、图1c和图1d可知，从熔覆层底部到表面，暗区增加，亮区减少，暗区由图1b中的不规则颗粒状逐渐过渡为图1d中的大块状。而熔覆层与基体结合区又出现了暗区面积增大的情况(见图1a)。

图1 由熔覆层底部到表面的扫描电镜背散射图像Fig.1 Backscatter photos of cladding layer

熔覆层线扫描方向示意如图2所示，扫描结果如图3所示。由于熔覆中宏观偏析的缘故，从熔覆层边缘到中心，宏观上存在成分不均匀性，熔覆金属以柱状晶长大，将过饱和溶质推向熔池中心，中心溶质浓度逐渐升高，使最后凝固的部位发生较严重的偏析。因此，铝元素横向分布规律呈抛物线式分布如图3a所示。从图3b的纵向扫描结果可以看出，熔合区的A1元素急剧增加，表明熔化的A1合金对熔覆层产生了稀释，这种稀释是熔覆层和基体形成冶金结合的必要保证。

图2 熔覆层线扫描方向Fig.2 Direction of EDAX patterns

图3 熔覆层和线扫描结果Fig.3 EDAX patterns of the cladding layer

Y和Ni的横向分布规律和Al相似，但是实验中较细的Y和Ni粉，在激光作用下熔化后由于密度高于铝合金熔液而向熔池底部沉淀。所以从纵向成分扫描结果可以看出，在熔覆层上部的疏松组织中，Y和Ni含量相对较少，而熔覆层底部的Y和Ni含量较高，但是与基体熔合区由于受到基体材料的稀释较严重，相对含量有所降低。因此，Y和Ni主要集中于熔覆层中下部。

熔覆层扫描位置如图4a所示，表面、中部和根部的面扫描结果如图4b、图4c、图4d所示。由图4可见，熔覆层各区域均含有少量O、Mg和Cu元素，这是由于激光熔覆过程中铝发生了少量的氧化，基体材料的Mg和Cu熔化后随着熔池移动，与熔覆材料充分混合，使基体与熔覆层达到了冶金结合。

图4 熔覆层不同区域元素分布情况Fig.4 Element of the cladding layer

熔覆层成分含量如表2所示，由表2可知，熔覆层各区域成分分布较均匀。由于铝的密度较低，熔化后迅速上浮，对熔覆合金发生稀释作用，因此，Al元素的含量由原来的80%上升至88%以上，熔覆层底部与基材接触，稀释较为严重。同理，Y和Ni被稀释后含量也明显减少，Y由原来的10%降低到不足2%，Ni由原来的10%降低到4.6%。另外，Y和Ni相对其他元素密度较高，在重力作用下下沉，因此Y和Ni的含量从熔覆层表面到根部逐渐升高。

由以上分析可见，熔覆层面扫描结果与线扫描结果相当吻和，表现了激光熔覆Al-Y-Ni合金涂层成分分布的一般规律。

表2 熔覆层成分含量表Tab.2 Element content of the cladding zone %

2.2 熔覆层物相分析

图5为激光熔覆层内的电镜图片及相应的点扫描结果。

图5 熔覆层电镜图片和图中十字处所含元素成分分析结果Fig.5 Microstructure distributing of laser cladding layerand the element of the point as showed in the photos

由图5可知，熔覆层内亮区和暗区均含有Al、Y和Ni元素。比较表3、表4成分含量可知，暗区铝含量较亮区高，主要为含铝较高的化合物；亮区Y和Ni含量较高，为含Y和Ni较高的化合物集中区。

表3 图5a对应成分含量Tab.3 Element content of figure 5a

表4 图5b对应成分含量Tab.3 Element content of figure 5b

图6为熔覆层XRD衍射图谱，参考Al-Ni-Y相图[4-6]和电镜点扫描结果分析可知熔覆层内含Al、Al2Ni6Y3和Al3Ni2三种相。由于熔覆合金中Al含量很高，因此大量的纯Al先凝固，这时金属熔覆层的相分布可能为：基体相为富Al相，Al3Ni2和Al2Ni6Y3相基本上分布于枝(胞)晶间。即这些熔覆合金相或在枝(胞)晶生长过程中被“排斥”到枝(胞)晶间隙；或是即未被“排斥”，亦未被枝(胞)晶生长“捕获”，而是处于原处对枝晶(胞)的生长起到阻碍作用，使得枝(胞)晶破碎，生长方向发生紊乱。

图6 熔覆层XRD图谱Fig.6 X-ray diffraction pattern analyses of the laser cladding layer

2.3 硬度分析

采用维氏硬度计，在熔覆层深度和宽度方向均匀间距下进行测试，得出的熔覆层硬度分布结果如图7、图8所示。

图7 熔覆层横向硬度分布Fig.7 Hardness distribution curve of clad layers in the traversesection

由图7可知，熔覆层硬度在60HV以上。由于激光扫描速度很快，熔池运动不规律，使得熔覆层内合金元素分布不均匀，右边的Al-Ni增强相含量较多，因此熔覆层内部左右硬度出现了不均匀的现象。

由图8可知，在Al2Ni6Y3和Al3Ni2相存在的情况下，熔覆层中部从表面到根部硬度均匀，硬度70～90 HV，相对横向硬度有所提高。这是由于宏观偏析的缘故，即熔覆凝固结晶过程中，将过饱和溶质Y和Ni推向熔池中心，中心溶质浓度逐渐升高，在熔覆层中部形成较多Al-Y-Ni金属间化合物，提高了熔覆层中缝处的硬度。

图8 熔覆层纵向硬度分布Fig.8 Hardness distribution curve of clad layers in the lengthways-section

3 结论

(1)在2034铝合金基体上可以激光熔覆制备具有冶金结合的Al-Y-Ni合金涂层；(2)熔覆层内Al元素分布均匀，Y和Ni在熔覆层中下部含量较高，表面含量较少；(3)熔覆层的相组成为Al、Al2Ni6Y3和Al3Ni2三相，其硬度较均匀。

[1]黄晓艳，刘 波.舰船用结构材料的现状与发展[J].船舶，2003(3)：21-24.

[2]孙丹丹，李文东.铝合金在汽车中的应用[J].山东内燃机，2003(1)：34-36.

[3] Akihisa Inoue.Amorphous nanoquasicrystalline and nanocrystalline alloys in Al-based systems[J].Progress in materials science，1998(43)：365-520.

[4] Nash P，Su H N，Kleppa O.Enthalpies of formation of compounds in Al-Ni-Y systems[J].Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2002，12(4)：754-758.

[5] Nash P，Kleppa O J.Composition dependence of the enthalpies of formation of NiAl[J].J Alloys and Comp，2001(321)：228-231.

[6] Timofeev V S，Turchanin A A，Zubkov A A，et al.Enthalpies of formation for the Al-Y and Al-Y-Ni intermetallic compounds[J].Thermochimica Acta，1997，(299)：37-41.

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Microstructures and properties of laser cladding Al-Y-Ni alloys coatings on Al alloys

LIN Ri-dong1，HUANG An-guo2
(1.North China Institute of Electro-Optics.，Beijing 100015，China；2.College of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

The Al-Y-Ni alloys coatings were prepared on Al-based alloy by laser cladding.It was shown that the coatings have smooth and continuous surface，and metallurgically bond to the substrate.The phase，element distribution and microhardness have been analyzed with the aid of SEM，XRD and microhardness-tester.It was shown that the Al，Al2Ni6Y3and Al3Ni2are the dominant phases in the cladding zone.The component and hardness of cladding layers are well-proportioned.

laser cladding；Al-Y-Ni；phases；component；properties

TG457.14

A

1001-2303(2011)06-0001-05

2011-04-27

林日东(1977—)，男，江西赣州人，高级工程师，硕士，主要从事红外探测器组件结构及先进制造方面的研究工作。