鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末激光增材修復(fù) 7B05鋁合金顯微組織及力學(xué)性能研究

折 潔，祝弘濱，邱 瑩，王行濤，劉 昱，龔 明

（1. 中車工業(yè)研究院有限公司，北京 100160；2. 西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司，陜西西安 710117）

1 引言

鋁合金因其輕質(zhì)、成形性優(yōu)、塑性良好、強(qiáng)度高、抗撞擊、耐腐蝕、密封性好及再生利用率高等優(yōu)異性能而在眾材料中脫穎而出，極受航空航天、軌道交通等工業(yè)領(lǐng)域青睞[1-5]。尤其是在軌道交通裝備制造上，不斷提升鋁化率是實(shí)現(xiàn)其型材大型寬體化、車體輕量化最行之有效的方法[6-8]。其中，以7B05鋁合金為代表的7系可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)變形鋁合金，由于添加了少量鋯元素（Zr）作為晶粒細(xì)化劑，該合金在保持高強(qiáng)度水平的同時(shí)兼顧韌性、疲勞強(qiáng)度等綜合性能而被廣泛應(yīng)用于要求具備高強(qiáng)度、高應(yīng)力腐蝕抗力、良好剝落腐蝕抗力及斷裂韌性的車架枕梁、端面梁等車體結(jié)構(gòu)上[9-10]。

隨著列車的提速及其服役年限的增加，鋁合金車體零部件出現(xiàn)的損傷（如疲勞裂紋、磨損、沖蝕等）將導(dǎo)致零件失效甚至報(bào)廢。在復(fù)雜工況下，鋁合金構(gòu)件長期運(yùn)行導(dǎo)致的不同程度開裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生且無預(yù)見性，給人員生命安全造成了極大的隱患。針對此類鋁合金受損情況，目前主要采用新件更換或焊接修復(fù)技術(shù)來解決[11]；由于直接廢棄或者更換受損零部件勢必造成極大的浪費(fèi)和成本支出，大多數(shù)情況下優(yōu)先采用焊接修復(fù)手段。高速列車的不斷發(fā)展和鋁材需求的增加對鋁合金焊接構(gòu)件的安全性、可靠性及其后期維修技術(shù)也提出了更苛刻的要求；后者事關(guān)未來高速列車長期服役過程中維護(hù)、維保的可持續(xù)發(fā)展問題，具有重大意義。

激光增材修復(fù)技術(shù)可用于高速列車上鋁合金零件的修復(fù)工作；而采用不同種類的金屬粉末材料將對修復(fù)效果和修復(fù)完成的零件性能產(chǎn)生影響。本研究選擇鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末作為修復(fù)材料，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與檢驗(yàn)修復(fù)成果的方式確認(rèn)其應(yīng)用于激光增材修復(fù)7B05鋁合金的效果。

2 鋁合金修復(fù)方法研究現(xiàn)狀及趨勢

目前，軌道交通列車鋁合金損傷的主要修復(fù)方法有很多，如焊接、熔覆、噴涂、電鍍等[12-16]。以上修復(fù)技術(shù)已經(jīng)在部分零件的修復(fù)中順利應(yīng)用，但是仍存在一定的不足之處，如電刷鍍和熱噴涂技術(shù)所獲得的修復(fù)層很?。ā?.3 mm），與基材結(jié)合差，只適用于表面修復(fù)而無法應(yīng)用于形狀上發(fā)生損壞的部位修復(fù)?？偟貋碚f，傳統(tǒng)修復(fù)與再制造技術(shù)存在復(fù)雜程度高、工藝多、生產(chǎn)周期長、熱輸入大、與基體結(jié)合弱，以及修復(fù)層薄等缺點(diǎn)；這使得現(xiàn)有技術(shù)成果難以滿足實(shí)際工程應(yīng)用需要。

軌道交通用鋁合金零部件的修復(fù)問題同樣是現(xiàn)階段鋁合金焊接迫切需要解決的一項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)問題；從業(yè)者勢必需要研究新的修復(fù)技術(shù)，進(jìn)一步探索如何延長軌道交通車輛關(guān)鍵結(jié)構(gòu)服役壽命的問題。金屬增材制造技術(shù)（3D打?。┮陨a(chǎn)周期短、材料成本低、多材料一體成形為特點(diǎn)，采用激光熔化金屬材料“自上而下”逐漸累加的方法制造高致密度的實(shí)體零件，是一種可以制造無限高復(fù)雜結(jié)構(gòu)或薄壁零件，能夠?qū)崿F(xiàn)高端數(shù)字智能化、柔性化的快速制造技術(shù)，是先進(jìn)制造業(yè)中最具有潛力和發(fā)展前景的制造技術(shù)，是決定2025年經(jīng)濟(jì)的12大顛覆性技術(shù)之一。金屬增材制造技術(shù)主要包括直接能量沉積（DED）和粉末床熔融（PBF）兩大類。其中，DED包括電弧增材制造（WAAM）和激光近凈成形（LENS）；PBF包括電子束選區(qū)熔化（EBSM）和激光選區(qū)熔化（SLM）。激光增材修復(fù)技術(shù)（Laser Additive Repairing）是以LENS為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)的零件修復(fù)技術(shù)；該技術(shù)能夠根據(jù)損傷形面的特殊形狀和尺寸進(jìn)行快速精密熔覆修復(fù)。采用激光增材修復(fù)技術(shù)修復(fù)7B05鋁合金已有較多研究開展；而此前研究大多采用鋁-硅（Al-Si）系粉末作為修復(fù)材料；此方法的粉末流動(dòng)性好，可成形性能優(yōu)異，修復(fù)后的零件不易產(chǎn)生裂紋[14，17]。但由于Al-Si系合金粉末強(qiáng)度相較于7B05鋁合金更低，使用該系列合金大面積修復(fù)7B05鋁合金基體時(shí)，將導(dǎo)致零件整體力學(xué)性能下降。

鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末是近2年采用等離子氣霧化技術(shù)設(shè)計(jì)和研制出新型的增材制造專用高強(qiáng)鋁合金粉末，可打印出高強(qiáng)度、疲勞性能良好的制件[18]。其不同之處是在傳統(tǒng)5系鋁-鎂（Al-Mg）變形鋁合金粉末基礎(chǔ)上添加適當(dāng)鈧（Sc）、鋯（Zr）元素。相比傳統(tǒng)Al-Mg合金粉末，Sc元素的添加會與Al元素形成α-Al在熱力學(xué)上的平衡相——Al3Sc-LI2相。當(dāng)其作為初生Al3Sc相領(lǐng)先基體α-Al相凝固析出時(shí)，可以作為高效異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，誘發(fā)等軸晶形成，從而細(xì)化晶粒、提高合金強(qiáng)度以及改善熱裂性。Zr元素的添加可以提高合金中沉淀相體積分?jǐn)?shù)，使合金的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)更加顯著。7B05為7 系鋁-鋅（Al-Zn）系高強(qiáng)鋁合金，含有較多的Zn、Mg等合金元素。傳統(tǒng)方法使用AlSi粉末修復(fù)7系鋁合金時(shí)，由于Mg元素熔點(diǎn)較低，在高溫熔池中極易發(fā)生燒損現(xiàn)象，修復(fù)區(qū)底部與頂部Mg元素成分將存在較大差異[19-21]。采用Mg含量較高的Al-Mg-Sc-Zr合金粉末進(jìn)行修復(fù)時(shí)，盡管依舊存在Mg元素?zé)龘p現(xiàn)象，但由于該合金粉末中Mg含量較高，加之修復(fù)過程中使用小光斑修復(fù)；小光斑對應(yīng)的小熔池凝固速度更快，可以有效降低Mg元素的燒損現(xiàn)象，防止制件力學(xué)性能大幅度降低。因此，采用該粉末修復(fù)7B05鋁合金，在提高制件整體強(qiáng)度上具有較大指導(dǎo)意義。

基于以上分析，本項(xiàng)目以Al-Mg-Sc-Zr高強(qiáng)鋁合金粉末作為修復(fù)材料，采用激光增材修復(fù)技術(shù)對7B05高強(qiáng)鋁合金板進(jìn)行預(yù)制缺陷修復(fù)，并對修復(fù)過程中存在的氣孔等缺陷進(jìn)行機(jī)理分析；其最終目標(biāo)是通過改善修復(fù)工藝、施加輔助措施的方式，提高修復(fù)制件致密度及力學(xué)性能。

3 實(shí)驗(yàn)過程及方法

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

激光增材修復(fù)實(shí)驗(yàn)在西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司的BLT-C1000激光成形及修復(fù)設(shè)備上完成；該設(shè)備配備五軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控工作臺、惰性氣氛保護(hù)室、高精度可調(diào)送粉器和同軸送粉噴嘴。實(shí)驗(yàn)過程中，鋁合金粉末由送粉器送出，經(jīng)由同軸送粉噴嘴送進(jìn)激光熔池。為防止成形過程中合金的氧化和夾雜污染，載粉氣體和保護(hù)氣體均使用高純氬氣。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在充填高純氬氣的手套箱內(nèi)成形，氧含量控制在 100 ppm 以下。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料

本研究待修復(fù)鋁合金基材為7B05鋁合金，修復(fù)所用材料為采用等離子氣霧化技術(shù)制備的鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末。Al-Mg-Sc-Zr球形粉末如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)Al-Mg-Sc-Zr原材料粉末中含部分空心粉。經(jīng)檢測，粉末空心粉率為1.11%，球形度為0.85。為減少粉末吸潮的影響，實(shí)驗(yàn)前，將鋁合金粉末在真空干燥箱內(nèi)烘干以去除粉末內(nèi)的水分；干燥溫度為150℃，干燥時(shí)長為 2 h，真空干燥箱氣壓0.02 MPa。7B05鋁合金基材及Al-Mg-Sc-Zr球形粉末的化學(xué)成分實(shí)測值如表1所示。

表1 7B05及鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末化學(xué)成分 wt / %

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

在7B05基材上近凈成形試樣塊，同時(shí)在7B05基材上預(yù)制如圖2所示的V型缺陷，根據(jù)近凈成形試樣塊和修復(fù)區(qū)域的幾何形狀及尺寸編寫數(shù)字控制（NC）程序，選取表2所示工藝參數(shù)分別制備金相分析試樣及力學(xué)性能檢測試樣。在7B05鋁合金鍛件表面進(jìn)行激光增材修復(fù)前，為去除機(jī)械加工帶來的油污和氧化膜，首先將基材在70℃/8%的NaOH溶液中浸泡 3 min ，隨后在30%的NaOH溶液中浸泡直至其表面恢復(fù)金屬亮色，最后將其用清水沖洗、烘干。

表2 工藝參數(shù)

3.4 試樣制備與分析

實(shí)驗(yàn)采用線切割方式切分金相試樣，切分方式及觀察面如圖3所示。試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，采用keller試劑（2.5 ml HNO3+ 1.5 ml HCL + 1 ml HF + 100 ml H2O）制備金相組織觀察樣品。采用OLMPUS光學(xué)顯微鏡觀察金相組織及缺陷，在此基礎(chǔ)上，采用Image-Pro Plus圖像分析軟件計(jì)算制件中的孔隙率。

實(shí)驗(yàn)采用維氏顯微硬度計(jì)測量試樣維氏硬度，以修復(fù)界面為原點(diǎn)，分別檢測7B05鋁合金基體、熱影響區(qū)至鋁鎂鈧鋯修復(fù)區(qū)的顯微硬度演變趨勢。顯微硬度測試的取樣厚度大于2 mm；測試前將待測表面磨平并拋光，加載載荷0.1 kg，停留時(shí)間15 s。顯微維氏硬度測試按照GB/T 4340.1試驗(yàn)方法（金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分）連續(xù)測量三次并取平均值。

激光增材修復(fù)后的試樣按照圖4所示取樣方式及示意圖切取室溫拉伸性能試樣。室溫拉伸性能測試按照GB/T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中的方法（金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法）進(jìn)行。選擇典型拉伸斷裂后的樣品，采用掃描電子顯微鏡 （SEM）對其形貌進(jìn)行觀察，以進(jìn)一步分析對比斷裂形式。

4 顯微組織分析

圖5為鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末激光近凈成形和增材修復(fù)V型槽成形試樣的截面微觀組織。從圖中可以看出，修復(fù)試樣組織由3部分組成：底部為7B05鋁合金鍛件基體區(qū)，中部為熱影響區(qū)，上部為激光修復(fù)區(qū)。修復(fù)區(qū)與基材界面結(jié)合良好，無裂紋及微裂紋產(chǎn)生；修復(fù)區(qū)存在一定氣孔，但最大氣孔直徑不超過50 μm，且該區(qū)域致密度良好，可達(dá)99.6%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，近凈成形過程中，隨沉積高度升高，氣孔數(shù)量及尺寸增加，可劃分為“小氣孔區(qū)”與“大氣孔區(qū)”。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，氣孔產(chǎn)生位置基本位于層間及道間熔合處。產(chǎn)生氣孔“上多下少”現(xiàn)象的原因是：鋁合金導(dǎo)熱性能較好，在高能激光束靠近基材的表面幾層時(shí)，基材溫度較低，到達(dá)基材產(chǎn)生的熱量可以沿基材擴(kuò)散，導(dǎo)致該階段鋁合金溫度梯度較高；而在鋁合金冷速較快的條件下，從沉積過程中產(chǎn)生的氣孔無法逸出；即使少量氣孔存在逸出趨勢，也因?yàn)槔渌佥^快而被封鎖在熔池中。

激光增材修復(fù)過程中產(chǎn)生氣孔缺陷的主要影響因素是氣體在液態(tài)金屬中的濃度及擴(kuò)散系數(shù)。其中，濃度與擴(kuò)散系數(shù)呈正比關(guān)系，氣體在熔化的液態(tài)金屬中濃度越高，所對應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)就越大。擴(kuò)散系數(shù)越大意味著氣孔從形成、長大、到擴(kuò)散到熔池表面的時(shí)間越短、單位時(shí)間內(nèi)形成的氣孔越多。同時(shí)，氣孔直徑與其浮出熔池速度呈正比關(guān)系，氣孔直徑越大，浮出速度越快。因此，在鋁合金增材修復(fù)過程中，氣孔最初產(chǎn)生時(shí)，由于此時(shí)其尺寸較小，浮出熔池表面較為困難。然而，由于氣體密度遠(yuǎn)小于液態(tài)金屬密度，氣孔的逸出速度主要取決于液態(tài)金屬密度。

根據(jù)以上分析，在鋁合金的增材修復(fù)過程中，由于鋁合金密度較小，加之鋁合金自身導(dǎo)熱快，凝固區(qū)間窄；當(dāng)鋁合金的結(jié)晶速度大于制件內(nèi)部氣泡的上浮速度時(shí)，氣體來不及逸出，從而殘存在制件內(nèi)部而形成氣孔。下列公式體現(xiàn)了制件中氣孔上浮速度、氣孔尺寸、金屬密度間的關(guān)系[22]：

在式（1）中，v代表氣泡上浮速度，cm/s；D代表熔池金屬密度，g/cm3；d代表氣體密度，由于氣體密度遠(yuǎn)小于金屬密度，此處可假設(shè)d= 0；η為液態(tài)鋁合金粘度系數(shù)，g/ cm · s；R為氣孔半徑，cm ；g為重力加速度，980.665 cm/s2。采用鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末進(jìn)行激光增材修復(fù)過程中，由于鋁合金粘度系數(shù)較大，氣孔在已成形的制件中上浮速度較慢；并且由于鋁合金導(dǎo)熱較快，氣孔在快速凝固過程中來不及逸出，使得未完全浮出的氣孔被封存在制件內(nèi)部。因此，和修復(fù)其他金屬材料相比，激光增材修復(fù)鋁合金組織形成氣孔的敏感性較大。

5 激光增材修復(fù) 7B05 鋁合金力學(xué)性能演變趨勢

5.1 顯微硬度演變趨勢

圖6展示了激光增材修復(fù)7B05鋁合金顯微硬度演變趨勢。以界面處為原點(diǎn)，分別向基體區(qū)、修復(fù)區(qū)輻射，每隔 50 μm 打1個(gè)點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)，基材區(qū)顯微硬度始終保持在 60 Hv 左右。激光增材修復(fù)能量較小，對熱影響區(qū)顯微組織變化影響較小；因此，熱影響區(qū)的顯微硬度與基材區(qū)基本保持一致。而進(jìn)入修復(fù)區(qū)后，當(dāng)高能激光束掃描基體時(shí)，由于基材散熱較快，修復(fù)的前幾層溫度梯度較高、冷速較快，在“過渡區(qū)”的組織應(yīng)力較為集中，體現(xiàn)在硬度數(shù)值上即為顯微硬度增大。當(dāng)沿沉積方向繼續(xù)修復(fù)時(shí)，制件傳熱進(jìn)入穩(wěn)態(tài)區(qū)，顯微硬度逐步趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在大約 80 Hv 。

5.2 室溫拉伸性能分析

對近凈成形和激光增材修復(fù)后的V型坡口進(jìn)行取樣及室溫拉伸性能檢測，檢測結(jié)果如表3所示。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性，同時(shí)在與V型坡口同一批次的試樣上取樣。對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，激光增材修復(fù)后的抗拉和屈服強(qiáng)度均達(dá)到鍛件力學(xué)性能的80%以上，觀察其斷裂區(qū)域，發(fā)現(xiàn)斷裂位置均為鍛件處，表明激光修復(fù)區(qū)與鍛件基體結(jié)合性能良好。

表3 鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末近凈成形和增材修復(fù)7B05鋁合金室溫拉伸性能檢測結(jié)果

對室溫拉伸后的典型斷口進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示；宏觀視角下斷口整體較為平整。但在高倍視場下可以發(fā)現(xiàn)，斷口處存在數(shù)量較多、具備一定深度的韌窩，屬于韌性斷裂；因此，鋁鎂鈧鋯粉末修復(fù)的試樣整體延伸率較高，但由于強(qiáng)化元素Sc元素含量降低，屈服強(qiáng)度暫未達(dá)到指標(biāo)規(guī)定的母材的80%。

6 結(jié)論

本研究采用鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末，利用激光增材修復(fù)技術(shù)修復(fù)列車常用7B05鋁合金上的V型坡口，分析了在激光增材修復(fù)過程中基體區(qū)、熱影響區(qū)、修復(fù)區(qū)及成形區(qū)的顯微組織及顯微硬度演變趨勢，并在此基礎(chǔ)上對修復(fù)試樣進(jìn)行室溫拉伸性能檢測。結(jié)果表明：

（1）使用鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末激光增材修復(fù)7B05鋁合金時(shí)，基體與修復(fù)區(qū)界面結(jié)合性良好，在修復(fù)區(qū)內(nèi)部雖存在少量氣孔，但制件整體致密度良好，可達(dá)99.6%，且最大氣孔直徑不超過50 μm；

（2）力學(xué)性能測試結(jié)果顯示，激光增材修復(fù)制件抗拉強(qiáng)度最高可達(dá) 342 MPa ，且平均數(shù)值可達(dá)到7B05鋁合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)的80%以上。