在ZM5上预置AlY粉末激光合金化的研究

●表面熔覆技术●
在ＺＭ５上预置Ａｌ—Ｙ粉末激光合金化的研究
陈长军１’２。张敏１。闰文青１。张诗昌１．王茂才２ （１．武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，材料与冶金学院，湖北武汉４３００８１；
２．中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室，辽宁沈阳１ｌｏｏｌ６）
摘要：为了提高镁合金耐海水的腐蚀抗力，使用Ｃ０２激光对在删５上预置不同厚度的Ａｌ—Ｙ粉末进行激光
关键词：镁合金；激光合金化；铝一钇；几何特征；腐蚀
中图分类号：ＴＧｌ７４．４４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１．３８１４（２００７）０１．００３３．０４
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｌａｓｅｒ ＡＵｏｙｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｅｐｌａｃｉｎｇ Ａｌ—Ｙ Ｐｏｗｄｅｒ ｏｎ ＺＭ５ Ａｌｌｏｙ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ
Ｃ唧＿Ｎ Ｃｈａｎｇ－ｊｌｌＩｌｌ”，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｌ，ＹＡＮ Ｗｅｎ—ｑｉｎ９１，Ｚ地～ＮＧ Ｓｈｉ－ｃｈａｎ９１，ＷＡＮＧ Ｍａｏ—ｃａｉ２ （１．‰，，厶西Ｄ兀加，ｙ如ｒ尼瑚珊肌枷Ⅱ彤觚ｄ尺ｅ如眦ｅ５耽矗如越洳０，胁施打ｙ旷尉ｌｌｃｍ幻啊Ｃｂ如舻旷肘舭诎＆ 胁刎￡ｌ，彩形以觎‰西ｅ乃砂矿ｓｃ拓，ｌｃｅ＆死ｃ＾ｎｏ地∞形ｚ胁ｌ ４３００８１，吼ｉ删２．＆疵‰），鼬Ｄｒ咖可扣ｒ Ｇｏ玎佛幻ｎ∞ｄ
图６为１。、４４、５一样品截面的显微硬度分布。
６
６４．３５
６６．７０
３５．６Ｓ
３３，３０
ＺＭ５基材的硬度在９０～１００ ＨＶ之间：激光合金化
３ ２００
图２为激光合金化层的截面金相照片。图２ （ａ）、（ｂ）、（ｃ）的截面形状特征分别等同于图ｌ（ｂ）、 （ｃ）；而图２（ｄ）则等同于图１（ｄ）。从图２可看出，图 ２（ａ）合金化层具有环状偏析的特征。该偏析是由于 熔池内的对流作用将过多的基材带入合金化层．在 没有与合金化层材料进行充分混合的条件下产生 凝固而形成的，即它是严重稀释造成的冈，这对合金 化层的使用性能将产生严重的不利影响。但该合金 化层中无气孑Ｌ、裂纹等缺陷。而在图２嘞、（ｃ）、凹合 金化中均存在一定程度的气孔．只是其数量和大小 各不相同。图２油中的气孔数量较多，而且气孔的 直径还较大，这对合金化层的使用性能也将产生不 利影响。图２（ｂ）中的气孔数量与图３（ｃ）、（ｄ）相比相对 较少。在本试验中，基本规律是预置的粉末越厚时， 气孔数量越多。气孔主要是由合金化层中的气泡来 不及逸出所造成的嘲。
ｃｈａｒａｃ蜘ｓｔｉｃｓ ｍｉｃｒｏｓｃ叩ｉｃ ｐｏｉｍ ｏｆ、，ｉｅｗ，ｔｌｌｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ
ａｒｅ托ｌａｔｃｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｌｕ石ｏｎ．Ａ ｇｏｏｄ ｍｅｔａｌｌｌｌｒ垂ｃａｌ ｂｏｎｄｉｎｇ
ｉｎｔｅｌ矗ｃｅ ｉｓ ｏｂ协ｉ１１ｅｄ．１１圮ｍｐｉｄ∞ｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃａ吣ｅｄ咖ａｌｌ锄ｄ ｗｈ沁ｙｔｔｒｉ呦·ｃｏｎ讪ｉｎｇ ｐｈ鹊ｅｓ ａｒｅ ｆｏ彻ｅｄ ｉｎ ｍｃ
１试验方法
先使用粘结剂将Ａ１．Ｙ合金粉末（粒度为７４ ¨ｍ，加ｆ３．６％）预置到ＺＭ５镁合金基材上，然后利 用Ｃ０２激光辐照预置的粉末。使用的设备为５ ｋＷ 横流ＣＯ：激光器。合金化参数为：功率１．５ ｋＷ，扫
描速度１５删［Ｉｌ／ｓ，焦距３６０衄。为了防止合金化过
《热加工工艺》２００７年第３６卷第２３期 万方数据
皓１８０一２ａｒｃｔａｎ（２胁够）
（１）
合金化层的表征，如肜和日使用金相显微镜
直接测量，其Ａ。和Ａ。使用金相显微镜中附带的 软件进行计算。秽值与预置粉末层厚度珥的关系
使用Ｏｒｉｇｉｎ软件进行拟合，得出本试验条件下的 口值与珥的关系。
２试验结果与讨论
２．１合金化层几何形状和组织特征
表ｌ为计算得出的合金化层的相关几何参数。 表明在相同的激光工艺参数作用下，珥对合金化
５５．８ｌ
４６．７７
４４．１９
４
６Ｉ．３７
６３．８Ｉ
３８．６３
３６．１９
５
５２．２７
５４，８６
４７．７３
４５．１４
表３合金化层外边缘Ｍｇ和Ａｌ的含量
图４中标注 位置
Ｍｇ
毗
ａｔ％
Ａｌ
、矾％
ａｔ％
相的形成对合金化层腐蚀性能的改善将有一定的 作用。从图５可看出，１”样品衍射峰的数量明显较 多，仅一Ｍｇ和Ｍｇ。７Ａｌ，：的相数量也相对较多，表明此 时粉末与基材的相互作用比较剧烈，进一步证明了 图２（ａ）中提到的偏析，即严重稀释。而５“样品衍射 峰的数量相对较少，几乎没有Ｍｇ相生成，生成的 Ｍｇ，７Ａｌ，：相数量也相对较少，稀释率较低。
ａ１１０ｙｉｎｇ ｌａ）惯ｉｎ ｄｉ脑钮ｔ ｆｏｒ娜．Ａｎｄ ｍｃ ｍｉｃｒｏｈａｒ血ｅｓｓ ｏｆ位ａｌｌ叫ｎｇ∞∞ｃ柚ｂｅ ｕｐ ｔ０ ２５０—３２５ＨＶ，ｂｕｔ ｔｌｌａｔ ｏｆｍｅ
ｓｕｂｓ虹ａ她ｉｓ ｏｎｌｙ ８０－ｌｏｏＨＶ．１ｔ峙ｃｏｒｒｏｓｉ∞ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ廿坞ａｌｌｏｙｉｎｇ ｓａＩｎｐｌｅｓ ｉｓ衄ｈａｎｃｅｄ ｉｎ ｃｏＩｎｐａｒｉｓ∞ｔ０ ｔｈｅ衄仃ｅａｔｅｄ
是固定预置粉末厚度（或送粉速率），改变激光输出 功率和扫描速度来优化其工艺参数。实际上，当激 光输出功率、扫描速度等参数固定后，改变预置粉 末厚度（或送粉速率）同样可找到最优的参数，为此 本文通过固定激光器的输出功率、扫描速度、焦距，
在删５上预置不同厚度的Ａ１．Ｙ合金粉末进行合
金化。研究其合金化层的显微结构和显微硬度，并 对合金化层的耐蚀性进行评价。
合金化。激光合金化后，对涂层的显微结构和显微硬度进行了研究。对所得样品进行浸泡腐蚀实验。结果表明。涂
层的相组成为Ｍｇｌ７Ａｌｍ Ａ１２Ｙ、Ａｌ和Ｍｇ。当粉末预置厚度增加时，合金化层中的灿２Ｙ比例增加，Ｍｇ。，ｍ１２比例随之 减少。粉末预置厚度不同，得到的合金化层有三种不同的几何形状．合金化层几何形状在微观上同稀释率相对应。 实验得到冶金结合的界面。由于快速凝固过程而获得细小的、白色的具有不同形状特征的含稀土相。涂层的硬度 可达到２５０～３２５ Ｈｖ。而基材的硬度仅为８０～１００Ｈｖ。同基材相比。激光处理后，涂层的耐蚀性得到显著提高。
从合金化层中存在的孔洞和获得的界面角结 果可以发现，预置粉末厚度较大时，其孔隙率较 大、界面角较小。
研究表明【４】：界面角主要取决于合金化层的 高度、熔化层的表面张力及其润湿性。对于确定的 粉末与基材组合。界面角主要由预置粉末层厚度 所决定。一般随预置粉末厚度的增加而呈线性减
图２不同厚度砧．Ｙ粉末合金化时的合金化层截面图（ａ一１。样品；¨。样品；ｃ．５。样品；ｄ．≯样品） 燃加工工艺》２００７年第３６卷第２３期
＿焊接·切割（６）
程中的氧化和燃烧，熔池采用直径为４ｍｍ的铜管 进行侧吹保护，氩气流量为１０ Ｌ／ｍｉｎ。然后对试样 合金化层的形状特征、显微结构、成分和腐蚀性能 进行表征。
单道合金化后的合金化层（涂层）的形状特征 用图１所示的几何参数来表征嘲：合金化高度日 （ｍｍ），合金化宽度形（ｍｍ），粉末熔化面积Ａ。（Ⅱｌｒｎ２） 和基材熔化面积Ａ埘（ｍｍ２）。在所有表征的几何参数 中，稀释率Ｄ和界面角ｐ是非常重要的两个表征
量。Ｄ划。朋Ⅲ＋Ａｃ），主要用来表征基体材料在合金
化过程中同外加粉末之间的相互作用程度。由于 合金化层的宽度与基材熔化区域的宽度存在着对 应关系，且基本不受合金化工艺参数所影响，因此 Ｄ的计算可简化为：Ｄ晶ｌＩ／①。如０（ｋ为基材熔化 区域的熔化深度，＾。为粉末熔化区域韵高度）冈。从 冶金学角度出发。为获得结合颇佳的涂层．基体和涂 层之间往往需要有一定程度的稀释率；但从实际使 用效果来说，稀释率越小，则涂层的使用效果越好。
万方数据
少．且不受激光功率或扫描速度的影响。将本试验 得到的试验数据使用计算机软件进行拟合，得到 口与Ｚｂ的关系为如一３５．１日Ｐ＋２０１。
图３为ｌ。、４８、５。样品的界面。从界面结合情 况来看，其熔合线均比较清晰，热影响区非常窄。 界面附近的合金化层均存在白色析出相和胞晶， 差别不太明显，均为冶金结合。图４为１。、４’、５。样
刁讧５吼ｌｂｓ自隐ｔｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｇ ａｌｌｏｙ；ｌａｓｅｒ ａ１１０ｙｉｎｇ；Ａｌ·Ｙ；ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｃｈａｒａｃｔ嘶ｓｔｉｃｓ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ
激光表面合金化对改善镁合金的耐蚀性是非 常行之有效的。在快速凝固镁合金中，舢是唯一一 种显著改善镁合金耐蚀性的元素。同时稀土元素的 加入对改善镁合金的耐蚀性也非常显著旧。由于单 质稀土不仅制备困难。而且还非常容易氧化。故一 般单质稀土很少直接在镁合金上使用。而Ａ１．Ｙ的 熔体具有流动性好，抗氧化能力比较强的优点，故 我们采用灿．Ｙ粉末进行合金化研究。
品合金化层外表面的组织特征．可看出此时的白 色析出相在大小和形态上存在差别。经电子探针 分析．图中的白色物质均为含Ｙ的稀土相。对图３ 和图４中标注数字的区域进行能谱分析。结果见 表２和表３。从表３可见，除去Ｍｇ－Ａｌ化合物所在 的区域Ｍｇ含量较高外，富砧的区域Ａｌ含量可 达５９．３３％，同时该区域还含有４０．６７％的Ｍｇ，表
１ｋ ｒｃｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｎｌａｔ也ｅ ｐｈａＳｅｓ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇ ｌａｙ盯ｃｏｎｓｉｓ乜ｏｆ Ｍ９１７Ａｌｌ２，ＡｌＪＡｌ锄ｄ Ｍｇ．１１１ｅ ｍｌａｔｉｖｅ ｐｒｏｐｏｎｉｏｎ ｏｆ Ａ１２Ｙ
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１５６
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２
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３ ９０９