AZ91D镁合金表面激光熔覆Al+WC+La2O3复合涂层性能的研究

刘盛耀，张英乔，郭 昱

（中北大学材料科学与工程学院，山西太原030051）

AZ91D镁合金表面激光熔覆Al+WC+La2O3复合涂层性能的研究

刘盛耀，张英乔，郭 昱

（中北大学材料科学与工程学院，山西太原030051）

在Al+WC复合粉末中添加不同量的La2O3，利用激光形成熔覆层。采用金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDS）分析不同含量的稀土La2O3对涂层的显微组织、物相组成及性能影响。研究表明，由于稀土的加入，复合涂层的晶粒进一步细化。当稀土含量为1.2％时涂层的平均显微硬度为280 HV，相比AZ91D镁合金基体的60 HV提高了约4.5倍。

激光熔覆；Al+WC；La2O3；显微硬度

0 前言

镁合金是一种重要的轻质材料，因其较低的密度和较高的比强度增加了它在航空航天和汽车行业的应用范围。然而镁合金较差的耐磨性和耐腐蚀性限制了其潜在的应用[1]。陶瓷材料具有良好的耐磨、耐腐蚀和抗氧化性等优点，但陶瓷材料单独使用时容易出现裂纹，因此将金属粉末和陶瓷粉末混合制成复合涂层可以解决这一问题[2]。稀土元素可以改善激光熔覆涂层的组织和性能，增加涂层组织致密性，降低涂层与基体之间的热膨胀系数，降低涂层中的热应力，减少杂质和裂纹[3-4]。在此通过加入不同含量的La2O3粉末研究其对Al+WC涂层组织和性能的影响。

1 实验方法

实验使用压铸型镁合金作为基体材料，将其加工成20 mm×15 mm×4 mm的块状。先用600＃SiC砂纸打磨，用酒精清洗去除油污，空气中干燥。选取Al粉颗粒度为300目，WC粉颗粒度为500目，质量比9∶1。稀土元素分别以0.8％、1.2％、1.6％的百分比加入。使用水玻璃∶水的比例为1∶1配置粘合剂将上述三种粉末以膏状形式涂覆在AZ91D表面，涂覆厚度0.4 mm，放于空气中干燥。用脉冲激光器Nd-YAG进行熔覆，激光参数：光斑直径1.1mm，速度150mm/min，电流120 A，频率20 Hz，脉宽4 ms。实验保护气体采用氩气，气流量10 L/min。激光表面改性层的微观结构采用光学显微镜和电子扫描显微镜观察，通过X射线衍射仪分析涂层的物相组成。使用HVS-1000数显硬度计测量涂层与基体的显微硬度，施加载荷0.98 N，保压时间15 s，取表面同一深度3个点的平均值作为一个测量值。

2 实验结果和讨论

2.1 显微组织

图1a、1b、1c为稀土La2O3含量为0％的涂层的金相显微图。

图1 激光熔覆涂层显微组织形貌Fig.1Microstructure of cross-section of laser clad coating

图1a为激光熔覆后熔覆层的横截面显微组织形貌。按照组织不同，整个激光熔覆层沿层深方向大致可分为熔覆区、界面结合区和基体三个部分。图1b为熔覆层结合处高倍下的组织形貌，可以看到涂层与基体结合良好，无裂纹和气孔等缺陷。图1c为熔覆层上部的显微组织。综合图1b和图1c可知，从基体到熔覆层表面的显微组织出现明显分层，原因是液体凝固时晶体生长形态取决于G/R（温度梯度/凝固速度）[5]，在基体和熔覆层之间的结合区，G值很大而R值很小，G/R值很大，凝固所释放的热量全部向界面后方的固体散去，因此结合区的凝固组织为平行状柱状晶，且生长方向与结合面垂直。随着远离结合区，液态熔池的温度梯度G逐渐变小而凝固速度R逐渐增加，此时熔覆层冷却不仅通过已凝固的柱状晶区，还通过周围空气介质辐射和对流散热，液相中形成很宽的成分过冷区，满足了形核对过冷度的要求，因此在剩余的熔池中同时形核[6]。此时晶核的长大速度在各个方向上几乎相等，因此形成了等轴晶。图1c～图1f分别为稀土含量为0％、0.8％、1.2％和1.6％的熔覆层上部显微组织，可以看出加入适量的稀土后，涂层晶粒逐渐细化。原因是稀土的加入减小了液态金属的表面张力和临界形核半径，使得在同一时间内的形核质点数目明显增加[7]。同时，稀土元素较活泼的化学性质易与其他元素反应生成化合物。这些化合物成为新的形核质点，提高了涂层的形核效率，从而细化了晶粒。但是稀土加入过量，会降低液态金属的流动性，不利于凝固过程中的成分过冷，不利于晶粒细化。

2.2 物相分析

稀土La2O3含量为1.2％的熔覆层扫描图如图2所示。

图2 显微组织的扫描图Fig.2SEM images of microstructure

图2a为熔覆层结合处扫描图，可以看到结合处有一道白色的亮白带，EDS分析得到此处有较多的Mg、Al等元素存在，说明涂层与基体发生互熔，涂层与基体之间产生了良好的冶金结合。图2a标记1处的EDS能谱测得含有61.27％Mg和34.45％Al，图2a标记2处的EDS能谱测得含有64.64％Mg和33.50％Al，结合图3和表1分析可知这些相为金属间化合物Al12Mg17。图2b为熔覆层中上部的扫描图，标记3处和标记4处的EDS能谱测得分别含有w（W）=95.46％和w（W）=38.96％，结合图3和表1说明分解的WC与Mg、Al元素反应生成的新相Al4W、Al18Mg3W2等金属间化合物以及未分解的WC均以弥散相形式分布在熔覆层中，起到细化晶粒的作用和第二相强化的作用，改善了熔覆层的组织和性能。由图3可知，La2O3含量为1.2％的涂层中，La与Al反应生成了LaAl3化合物，减少了涂层中Al元素的烧损，改善了涂层组织。同时，LaAl3作为形核质点，提高了形核率，细化了晶粒。

表1 结合处组织、WC和新相的能谱分析Table 1WC，new phase and interface of coating analysis by EDS

2.3 显微硬度

加入不同稀土含量时熔覆层显微硬度曲线如图4所示，可以看出涂层的硬度明显高于AZ91D镁合金基体。原因一是激光的快速冷却作用使得涂层晶粒来不及长大而得到细化；原因二是在激光的高温下，大部分WC分解得到的C元素起到细化晶粒的作用；原因三是Al4W、Al18Mg3W2、Al3Mg2等金属间化合物起到第二相强化的作用。当熔覆层不含稀土La2O3时，熔覆层的硬度变化趋势为从表层到结合处逐渐升高直至镁合金基体又出现大幅降低。原因是在激光熔覆过程中，涂层表面金属元素发生烧损、杂质元素上浮、硬质相减少，从而导致表面硬度降低。通过对比可以看出，当加入稀土后，涂层的硬度趋于均匀，原因是稀土与涂层金属元素发生反应生成化合物从而减少了涂层的金属烧损，净化和细化涂层组织，增加涂层的均匀性[8]。当稀土含量为1.2％时，熔覆层的平均硬度最高为280 HV，比镁合金基体的60 HV提高了约4.5倍。随着稀土含量增加到1.6％时，熔覆层硬度值开始下降，原因是过量的稀土作为一种杂质相，使熔池的流动性降低，涂层的组织变得不均匀，从而使显微硬度有所下降[9]。

图3 熔覆层的X射线衍射图谱Fig.3X-ray diffraction spectrum of coating

图4 不同含量La2O3的涂层的显微硬度Fig.4Microhardness of the coating with different contents of La2O3

3 结论

（1）激光熔覆Al+WC+La2O3涂层，多数分解的WC与Mg、Al元素反应得到的新相细化了晶粒，改善了组织。部分未分解的WC以弥散相形式分布在涂层中，提高了涂层的显微硬度。

（2）稀土La2O3加入，增加了形核速度和数量，有利于细化晶粒。同时，减少合金元素烧损，改善了熔覆层组织和性能。

（3）当稀土La2O3含量为1.2％时，涂层显微硬度相对镁合金AZ91D提高了约4.5倍。但是随着稀土La2O3继续增加，稀土本身成为涂层中的杂质相，降低组织的均匀性，从而降低了涂层的显微硬度。

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

[2]黄伟荣，肖泽辉.AZ91D镁合金表面激光熔覆Ni基+WC合金涂层[J].中国激光，2009，36（12）：3267-3271.

[3]杜挺.稀土元素在金属材料中的作用和机制[J].金属功能材料，1996，3（3）：81-86.

[4]刘光华.稀土材料学[M].北京：化学工业出版社，2007：13-79.

[5]胡汉起.金属凝固[M].北京：冶金工业出版社，1985.

[6]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2007.

[7]赵高敏，王昆林.La2O3对激光熔覆Fe基合金熔覆层显微组织的影响[J].金属热处理，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，闫岸如，王智勇.La2O3稀土对激光熔覆WC/Ni基复合涂层性能改善的研究[J].金属功能材料，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

献

刘盛耀，张英乔，郭昱.AZ91D镁合金表面激光熔覆Al+WC+La2O3复合涂层性能的研究[J].电焊机，2017，47（1）：31-34.

2016-07-15

刘盛耀（1991—），男，江苏盐城人，硕士，主要从事镁合金表面激光改性的研究工作。