激光熔覆制備Al-70Si組織及性能研究

王云龍 華鵬 李枘 王國(guó)平 李先芬 周偉

摘要：采用LWS-1000型Nd：YAG激光器在1050鋁合金表面多層激光熔覆制備Al-70Si，觀察和測(cè)試分析了Al-70Si的宏微觀組織和相關(guān)力學(xué)性能，并探究了熱處理對(duì)熔覆層的影響。結(jié)果表明：脈沖激光加工技術(shù)可以成功制備Al-70Si材料，熔覆層中硅顆粒自基體側(cè)起分別呈現(xiàn)圓潤(rùn)球狀、長(zhǎng)條狀、五星瓣?duì)?，熔覆層平均硬度值達(dá)到250 HV，抗拉強(qiáng)度為85 MPa，基體耐磨性能明顯提高。進(jìn)行500 ℃保溫4 h熱處理后，硅顆粒尺寸降低且尖角鈍化，更為圓潤(rùn)，硬度值上升50 HV，熱導(dǎo)率也相應(yīng)提高。

關(guān)鍵詞：激光熔覆;Al-70Si;微觀組織;力學(xué)性能;熱處理

中圖分類號(hào)：TG456.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0043-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.08

0 前言

高硅鋁合金具有比強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、耐磨性能良好等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電子封裝等領(lǐng)域[2-4]。制備高硅鋁合金的方法有鑄造法、粉末冶金法、噴射沉積法等，但傳統(tǒng)鑄造方法[5]生產(chǎn)的高硅鋁合金，特別是在硅含量高于50%時(shí)，金屬液體無法充分流動(dòng)導(dǎo)致硅顆粒分布極其不均勻，鑄造出的高硅鋁合金加工易裂，力學(xué)性能很差。同時(shí)噴射沉積技術(shù)、粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)成本較高，工藝復(fù)雜。因此，研究生產(chǎn)成本低廉、工藝簡(jiǎn)單且得到組織結(jié)構(gòu)優(yōu)良的高硅鋁合金的制備方法[6-8]具有重要的實(shí)踐意義。

激光熔覆技術(shù)近年來發(fā)展迅速，因加熱與冷卻速度快，稀釋率低，可獲得連續(xù)均勻、無氣孔及裂紋的材料等特點(diǎn)被廣泛地研究。激光熔覆技術(shù)不僅可用于提高材料的表面性能，也可以應(yīng)用于制備金屬基復(fù)合材料[9-12]。王天聰?shù)萚13]通過激光熔覆成功制備碳納米管增韌鐵基非晶材料，并發(fā)現(xiàn)隨鍍鎳碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，非晶相含量降低，硬度降低，但斷裂韌性提升33.4%。王天剛等[14]通過激光熔覆在Ti811鈦合金表面制備Ni基復(fù)合涂層，研究發(fā)現(xiàn)硬度值提高約2.5倍，摩擦系數(shù)和磨損率分別降低約35%和36%。目前，激光熔覆技術(shù)也逐漸應(yīng)用在亞共晶Al-Si合金制備上。Anandkumar等[15]通過激光熔覆Al-12Si和TiC粉末制備復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)部分TiC顆粒固溶，起到增強(qiáng)相的作用，硬度提高至165 HV，耐磨性能也相應(yīng)提高。周陳菊[16-17]利用橫流CO2激光器制備高硅含量的鋁合金，研究了激光熔覆工藝參數(shù)及后期熱處理對(duì)材料組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)在2 400 W、300 mm/min條件下，可以制備出無氣孔裂紋且與基體有良好冶金結(jié)合的熔覆層;在500 ℃×4 h熱處理后，初晶硅尺寸減小，為30～32 μm，最高硬度達(dá)317 HV，提高7.5%;耐磨性能也相應(yīng)提高。Y.D.Jia等[18]比較了鑄態(tài)和選擇性激光熔化（SLM）Al-50Si合金的顯微組織，研究了固溶度對(duì)合金的熱膨脹系數(shù)（CTE）的影響。發(fā)現(xiàn)SLM合金初晶硅尺寸遠(yuǎn)小于鑄態(tài)合金初晶硅尺寸（220 μm），因過飽和Al（Si）固溶體的形成，SLM合金的CTE峰值在熱處理后隨Si析出而消失。由此可見，初晶硅的尺寸及分布與材料性能密切相關(guān)。由于鑄造制備高鋁硅合金存在偏析、氣孔缺陷、Si顆粒尺寸較大等問題，而激光熔覆制備技術(shù)具有細(xì)化晶粒、減少孔洞及降低成分偏析的優(yōu)勢(shì)，因此文中采用激光熔覆技術(shù)，添加稀土化合物Y2O3，制備Al-70Si（質(zhì)量百分比w（Al）∶w（Si）=3∶7）高硅鋁合金并進(jìn)行后期熱處理，試圖減小初晶硅尺寸并使其均勻化分布，改善合金組織及性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

基體材料為1050鋁合金，主要化學(xué)成分如表1所示。用于激光熔覆的粉末材料為純度99.9%、顆粒度9.8 μm的Si粉（熔點(diǎn)1 410 ℃），以及純度99.9%、顆粒度98 μm的Al粉（熔點(diǎn)660 ℃）。對(duì)所選用的熔覆粉末進(jìn)行了顆粒度測(cè)試，所用設(shè)備為激光粒度儀，其顆粒度分布如圖1所示。

試驗(yàn)前用顆粒度由大及小的砂紙將基體表面打磨平整，用丙酮洗去油污，再酒精清洗，并在箱式電阻爐中烘干。按質(zhì)量比3∶7稱取Al、Si粉末，并稱取2%Y2O3，添加適量酒精作為黏附劑進(jìn)行混合，在研缽中研磨約1 h后成糊狀，用刮刀控制預(yù)置層厚為250 μm。如圖2所示，在氬氣氛圍保護(hù)下，采用LWS-1000型Nd：YAG激光焊機(jī)進(jìn)行多層激光熔覆，激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率170 W，掃描速度200 mm/min，脈寬2 ms，頻率25 Hz，離焦量1 mm。

將試樣拋光后，采用0.5%HF進(jìn)行金相腐蝕，時(shí)間為10 s;采用江南MR5000金相顯微鏡觀察熔覆層的微觀組織，采用VTD401數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量激光熔覆層橫截面的顯微硬度，載荷200 g，加載時(shí)間10 s;采用MMW-1A微機(jī)控制萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，載荷為20 N，轉(zhuǎn)速100 r/min，測(cè)試時(shí)間15 min。依據(jù)GB/T 228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)拉伸試樣，在 CMT-5150 型萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率 0.5 mm/min，拉伸試樣尺寸如圖 3所示。采用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的 X'Pert PRO MPD型 X射線衍射儀進(jìn)行XRD試驗(yàn)，采用LFA457激光導(dǎo)熱儀測(cè)定Al-70Si合金不同溫度下的熱導(dǎo)率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀形貌、微觀組織及物相分析

熔覆層宏觀形貌如圖4所示。熔覆層表面呈現(xiàn)典型的激光焊接形貌，以一定層次魚鱗狀排布，無球化、燒損等不良表面現(xiàn)象（見圖4a）。加入了2%的Y2O3后，熔體表面張力降低，提高了熔池金屬流動(dòng)性，使熔覆層成型性良好。Al-70Si截面形貌如圖 4b所示，實(shí)現(xiàn)了Al-70Si的逐層堆積，厚度約為1 mm。

熔覆層不同位置的硅顆粒形貌如圖5所示，自基體側(cè)起，依次為熔覆層底部、中部、上部。在多層熔覆制備的Al-70Si材料中，初晶硅彌散分布，不同位置的硅顆粒形貌有所不同。硅顆粒形貌的不同是溫度梯度和凝固快慢不同所致，受熔池大小和停留時(shí)間的影響。在靠近基體側(cè)，由于高的溫度梯度，冷卻速度快，硅顆粒趨于圓潤(rùn)，且尺寸較為細(xì)小，顆粒的尺寸一般低于10 μm、上部為條狀、多邊形狀、五星瓣?duì)畹某蹙Ч璧幕旌辖M織;中部由于最后凝固，硅顆粒發(fā)生長(zhǎng)大，呈長(zhǎng)條狀，最為粗大，有些條狀長(zhǎng)達(dá)40 μm。而鑄造工藝制備Al-Si亞共晶合金，高硅鋁合金中初晶硅尺寸一般為100～200 μm[19]。

EDS成分測(cè)試如圖6所示，X射線衍射圖譜如圖7所示。EDS結(jié)果表明，多層熔覆制備出的鋁硅合金成分接近Al-70Si。測(cè)試顯示有一定含量的Y和O元素存在基體中，推測(cè)是存在于熔覆層中未反應(yīng)的Y2O3。XRD結(jié)果顯示合金中相組成為α鋁和β硅，也有少量的Y2O3存在，通過多層激光熔覆，成功制備了Al-70Si。

2.2 硬度測(cè)試及耐磨性能測(cè)試

對(duì)熔覆層截面中部沿水平方向取點(diǎn)以及從熔覆層截面上部至基體沿垂直方向取點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試，Al-70Si硬度分布曲線如圖8所示，觀察發(fā)現(xiàn)：沿水平方向，熔覆層中部硬度值較為穩(wěn)定，平均值約為250 HV。硬度值在一定程度上能反映熔覆層組織均勻程度。沿水平方向熔覆層中部硬度值趨于穩(wěn)定，表明熔覆層組織均勻。硅顆粒作為硬質(zhì)相，不僅尺寸小，而且彌散分布在熔覆層中，起到細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用，有效提高了熔覆層的硬度。

沿垂直方向，硬度值有一定波動(dòng)，硬度值在200～350 HV之間，這是不同位置初晶硅形貌和尺寸不同及偏析導(dǎo)致的，在基體處硬度值約為34 HV。

對(duì)激光多層熔覆制備出的Al-70Si進(jìn)行耐磨性能測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為15 min，載荷為20 N，轉(zhuǎn)速為100 mm/min?；w與熔覆后材料的磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。摩擦系數(shù)在一定程度上反映耐磨性能的好壞，一般地，摩擦系數(shù)越低的耐磨性能越好。由此可見，熔覆后耐磨性能有明顯改善。硅作為硬質(zhì)相，彌散分布在鋁基體中，起到強(qiáng)化作用。

摩擦磨損表面形貌如圖9所示?？梢钥闯?，經(jīng)過摩擦磨損試驗(yàn)，Al-70Si磨損后的表面只產(chǎn)生了較淺的溝槽，無明顯的顆粒剝落，這是因?yàn)橐氲牡诙喙桀w粒與基體達(dá)到良好冶金結(jié)合，彌散分布在基體中，起到強(qiáng)化作用，改善了基體的耐磨性能。預(yù)置的鋁粉與硅粉在激光的熱作用下瞬間熔化，與部分熔化的基體形成熔池，內(nèi)部有著劇烈的對(duì)流作用，在對(duì)流作用下，液相硅得到均勻分布，同時(shí)，激光熔覆是一個(gè)快速加熱和冷卻的過程，得到的硅顆粒一般較為細(xì)小。在摩擦磨損過程中，硅顆粒的存在對(duì)熔覆層基體起保護(hù)和支撐作用，從而提高了耐磨性。

2.3 拉伸性能測(cè)試

依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)拉伸試樣。將制備出的Al-70Si熔覆層與基體分離，切取合適的尺寸，進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸速率為0.5 mm/min。拉伸試驗(yàn)前后試樣如圖10所示，試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)載荷的大小和試驗(yàn)截面積，計(jì)算Al-70Si抗拉強(qiáng)度，得到Al-70Si抗拉強(qiáng)度平均值為85 MPa，延伸率約為1.5%。

Al-70Si拉伸斷口形貌如圖11所示，其斷口較為平整，有少量韌窩的存在，具有典型的脆性斷裂特征。高硅鋁合金的性能主要由組分Al相和Si相共同決定的。對(duì)于Al相面心立方金屬，阻礙位錯(cuò)移動(dòng)的Peierls-Nabarro（P-N）力較小;對(duì)于Si相而言，晶體中每一個(gè)Si原子與其他4個(gè)Si原子之間以共價(jià)鍵形式相連，這類共價(jià)鍵連接的晶體通常具有較低的位錯(cuò)密度，并且P-N力較大，因而導(dǎo)致過共晶Al-Si合金的典型脆性行為。高硅鋁合金的斷裂機(jī)理主要由3個(gè)因素決定：（1）硅顆粒的尺寸及分布情況;（2）鋁基體與硅顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度;（3）硅相自身是否易于產(chǎn)生裂紋。

3 熱處理對(duì)熔覆層組織性能影響

在高硅鋁合金中，合金的性能主要由初晶硅的尺寸、形貌及分布決定。對(duì)高硅鋁合金進(jìn)行熱處理，熱處理溫度和時(shí)長(zhǎng)會(huì)影響硅顆粒的擴(kuò)散，進(jìn)而影響初晶硅的尺寸及分布。周陳菊等人[17]研究發(fā)現(xiàn)，溫度越高，硅原子擴(kuò)散所達(dá)到的激活能越大，擴(kuò)散速率越快，Si相的粗化和粒狀化越快;當(dāng)溫度較低時(shí)，初晶硅的粗化和粒狀化進(jìn)行得較慢，這時(shí)需要通過較長(zhǎng)的時(shí)間來充分實(shí)現(xiàn)Si原子的擴(kuò)散。因此，文中在T6態(tài)熱處理基礎(chǔ)上，參考鋁硅合金相圖，確定熱處理工藝為：500 ℃保溫4 h，升溫速率為10 ℃/min。

熱處理后Al-70Si不同位置硅顆粒形貌如圖12所示，觀察可知，熱處理后無明顯孔隙，顆粒更為圓潤(rùn)，尖角鈍化。熔覆層上部及中部的長(zhǎng)條狀硅顆粒尺寸明顯降低，均低于30 μm，而熔覆層底部球狀硅顆粒尺寸均低于10 μm。

對(duì)熱處理前后的Al-70Si進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為200 N，保載時(shí)間為10 s;硬度曲線如圖13所示。熱處理前熔覆層中部硬度為245 HV，熱處理后硬度值為295 HV，比熱處理前硬度提高50 HV。這是由于熱處理后硅顆粒均勻化分布，且硅顆粒形貌發(fā)生一定程度改變，尖角鈍化，硅顆粒尺寸趨于圓潤(rùn)，部分初晶硅固溶進(jìn)基體后以細(xì)小的顆粒狀形式從基體中析出，析出的Si尺寸較小，使得硬度上升。

熱處理前后熔覆層熱導(dǎo)率的變化如圖14所示。熱處理前，隨溫度升高，熱導(dǎo)率值略微降低，熱處理后熱導(dǎo)率值升高是由于硅的尺寸趨于圓潤(rùn)導(dǎo)致的。初晶硅尖角鈍化，一方面增強(qiáng)了硅相和Al基體之間的界面結(jié)合，減少了界面熱阻，另一方面降低了合金中的應(yīng)力集中區(qū)，減少了應(yīng)力的存在引起的點(diǎn)陣畸變對(duì)電子和聲子的散射作用。此外，合金經(jīng)熱處理后，部分初晶硅固溶進(jìn)基體后以細(xì)小的顆粒狀形式從基體中析出，傳熱時(shí)有利于基體合金的電子運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致熱處理后合金的熱導(dǎo)率高于未熱處理合金的熱導(dǎo)率。

4 結(jié)論

試驗(yàn)以1050鋁合金為基體材料，通過鋁粉與硅粉按質(zhì)量比例3∶7混合，并添加2%Y2O3，單層預(yù)置粉末厚度為250 μm，采用多層激光熔敷方式（激光功率170 W，激光掃描速度200 mm/min，疊加方式為垂直方向），制備了1 mm厚的Al-70Si熔覆層。

（1）熔覆層中彌散分布著大量初晶硅，在不同位置硅顆粒形貌有所不同?？拷w側(cè)呈現(xiàn)圓潤(rùn)球狀，尺寸均低于10 μm;上部為條狀、多邊形狀、五星瓣?duì)畛蹙Ч璧幕旌辖M織;中部為粗大長(zhǎng)條狀，最長(zhǎng)達(dá)40 μm。相比較鑄造制備的高硅鋁合金（100～200 μm），激光熔敷大大減小了初晶硅尺寸。熔覆層的橫截面硬度值達(dá)到250 HV，抗拉強(qiáng)度為85 MPa，熔覆后1050鋁合金基體的耐磨性能明顯提高。

（2）熱處理后，熔覆層無明顯孔隙，硅顆粒尖角鈍化，更為圓潤(rùn)。熔覆層中部長(zhǎng)條狀硅顆粒尺寸明顯減小，均在30 μm以下。硅顆粒的均勻分布以及尺寸的減小使得熱處理后熔覆層中部硬度值約為295 HV，比熱處理前硬度提高50 HV，且熱處理后的熱導(dǎo)率值也升高了。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘇愉欽，黃曉靈，劉曉萍. 高硅鋁合金的噴射成形與組織性能研究[J]. 鑄造技術(shù)，2018，39（11）：2490-2493.

[2] 張紅芳，楊明琴，王澤曉. 鋁合金材料的應(yīng)用及其加工成形技術(shù)[J]. 世界有色金屬，2019（24）：177-178.

[3] 劉靜安，謝水生. 鋁合金材料應(yīng)用與開發(fā)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2011：1-16.

[4] 楊泉. 鋁合金焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]. 裝備維修技術(shù)，2020（1）：136-137.

[5] M Zuo，X F Liu，Q Q Sun，et al. Effect of rapid solidifica-tion on the microstructure and refining performance of anAl-Si-P master alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology，2009，209（15-16）：5504-5508.

[6] 陳偉文. 一種快速凝固粉末冶金高硅鋁合金脫皮熱擠壓的制備方法[J]. 有色金屬材料與工程，2017，38（4）：247.

[7] Xixi Dong，Hailin Yang，Xiangzhen Zhu，et al. High stre-ngth and ductility aluminium alloy processed by high pre-ssure die casting[J]. Journal of Alloys and Compounds，2019（773）：86-96.

[8] Scott Whalen，Timothy Roosendaal，Wayne Daye，et al. High ductility aluminum alloy made from powder by friction ex-trusion[J]. Materialia，2019（6）：2589-1529.

[9] 張鵬飛，李玉新，吳利蕓. 鋁合金表面激光熔覆技術(shù)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017，38（10）：151-155.

[10] 杜學(xué)蕓，許金寶，宋健. 激光熔覆再制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 金屬加工（熱加工），2020（3）：15-19.

[11] 周超軍，孫文磊. 基于激光熔覆的激光再制造研究綜述[J]. 礦山機(jī)械，2015，43（9）：5-9.

[12] 郭一蒙. 鋁合金激光熔絲增材制造工藝研究[D]. 江蘇：南京理工大學(xué)，2018.

[13] 王天聰，朱彥彥，姚成武，等. 激光熔覆碳納米管增韌鐵基非晶涂層的組織與力學(xué)性能[J]. 機(jī)械工程材料，2020，44（5）：54-59，65.

[14] 張?zhí)靹?，肖海?qiáng)，孫榮祿，等. Ti811表面Ni基激光熔覆層顯微組織及摩擦磨損性能的研究[J]. 表面技術(shù)，2019，48（12）：182-188.

[15] R Anandkumar，A Almeida，R Vilar. Microstructure and sli-ding wear resistance of an Al-12 wt.% Si/TiC laser clad coating[J]. Wear，2012（282-283）：31-39.

[16] 周陳菊，鄭忠云，王少鋒，等. 鋁合金表面激光熔覆高硅涂層的組織與磨損性能[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29（2）：254-258.

[17] 周陳菊. 鋁合金表面硅化改性研究[D]. 浙江：浙江理工大學(xué)，2012.

[18] Y D Jia，P Ma，K G Prashanth，et al. Microstructure and thermal expansion behavior of Al-50Si synthesized by sel-ective laser melting[J]. Journal of Alloys and Compounds，2017（699）：548-553.

[19] 李悅，葉兵，蔣海燕，等. 過共晶鋁硅合金中初生相細(xì)化的研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程材料，2017，41（10）：1-6.