第29卷 第1期
2009年2月
航 空 材 料 学 报
J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS
V o l 29,N o 1 February 2009
徐建林1,2
, 杨 波3
, 高 威4
, 王智平1,2
,
龙大伟1,2, 居春艳1,2, 于 涛
1,2
(1.兰州理工大学甘肃省有金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州730050;2.兰州理工大学有金属合金及加工教育部重点实验室，兰州730050;3.中国第二重型集团公司重型压力容器与核电技术研究所，四川德阳618000;4.北京航空材料研究院，北京100095)
摘要：采用激光熔覆技术在QA l 9 4铝青铜表面熔覆了一层N i 基合金层，以提高QA l 9 4铝青铜的耐磨性。为了提高QA l 9 4铝青铜对激光的吸收率，实验采用少量自制的粘结剂并配合压力机将合金粉末预置在QA l 9 4铝青铜表面，然后激光重熔。通过对QA l 9 4铝青铜表面熔覆层组织研究分析表明：熔覆层与基体形成了良好的冶金结合，无裂纹缺陷的存在；熔覆层组织受凝固速度的影响较大，其表面组织为胞状晶，中部为发达的树枝晶，结合区上部由于基体的激冷作用而呈细晶区，细晶区以下又以树枝晶和胞状晶为主。激光熔覆层的平均硬度是QA l 9 4铝青铜基体硬度的3倍多。 关键词：铝青铜；激光熔覆；表面改性
中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:1005 5053(2008)06 0063 05
收稿日期:2007 10 21；修订日期:2008 02 10基金项目：兰州理工大学博士基金项目(SB01200608)作
者简介：徐建林(1970 )，男，工学博士，副教授,(E m ail)ggd jlxu @si na .co m 。
激光是上世纪60年代发现的新光源，具有能量高、聚光性好等特点[1,2]
。激光熔覆技术正是基于
以上特点而开发的一种新颖的表面改性技术，熔覆层往往具有与基体结合力高、组织细密、机械性能良好等特点。近年来随着大功率激光机的出现，激光熔覆技术更是受到了广泛的关注，但基体材料主要以黑金属、铝合金和钛合金等为主，而以铜合金为基体材料的研究较少，其原因主要有以下几个方面: 铜对波长大于10 5 m 的激光反射率极高，甚至比铝的反射率还要高，常常被加工成激光器的反光镜，如果激光机的功率过低，就无法使熔覆材料和基体同时熔化，造成熔覆过程的彻底失败; 铜与很多材料的润湿性很差，如MO,W C 等，造成熔覆层与铜合金基体达不到冶金结合或者结合力较低，导致
界面失效; 铜的热膨胀率很高(20~100 时，热膨胀系数为7 10-6
-1
)，在与多数熔覆材料形成
冶金结合层时容易产生裂纹等缺陷[3~8]
。因此，如何利用激光熔覆技术在铜基合金表面上形成无缺陷的熔覆层是目前研究的焦点之一。
本文采用自配的黏结剂和合金粉末体系，利用激光熔覆技术在QA l 9 4铝青铜表面形成了无裂纹缺陷的熔覆层。
1 实验方法
基体材料为QA l9 4铝青铜(挤压铜)，制成直径为25mm 、高为8mm 的圆盘形试样。熔覆材料为镍、铜等合金粉末，其主要成分如表1所示，粉末粒
表1 试样合金粉末的主要成分(质量分数/%)T able 1 Compositi on o f the all oy pow der(m ass fracti on /%)
No.Cu po w der
Cr pow der
Z r po w de r
N im atr i x a ll oy powder
1#30102res i dua l 2#
20
15
3
res i dua l
度均为200目，采用球磨机混合均匀。 熔覆前将QA l9 4铝青铜基体表面打磨平整并进行粗化，以提高基体对激光的吸收率和增强熔覆材料与基体的结合强度；用电子天平称量出所需的
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混合均匀的合金粉末，置于涂有自配粘结剂的的QA l9 4铝青铜表面上，并用压力机将合金粉末压实；熔覆时激光功率由高到低(起始激光功率为3800W，以后逐渐降低到2000W)对预置层进行逐道扫描，搭接量为50%，扫描速度6mm/s，光斑直径4mm；熔覆过程采用氮气保护，气流量为6L/s。
利用线切割将熔覆好的试样沿横断面切开制成金相试样。腐蚀液为10%HF+30%HNO3+60% H2O(体
积分数)。激光熔覆设备为GS TFL型横流CO2激光器；采用型号为D8的X射线衍射仪对试样的物相进行分析；采用备有X射线能谱仪的H I TAC H TS 502型扫描电子显微镜和E M PA1600型电子探针对试样的显微组织和微区成分进行观察与分析；采用HX 1000TM型维氏显微硬度仪测定硬度，试验加载力为200g，保压时间为15s。
2 结果与讨论
2.1 显微组织
通常情况下激光熔覆后的熔覆层往往会残留很大的内应力，这容易导致裂纹的萌生[9]。裂纹的产生对熔覆层的性能有重要的影响。如果裂纹产生在结合区，常常会造成整个熔覆层的整体剥落，导致材料完全失效；如果裂纹在表面产生，可通过打磨去除，此时对熔覆层质量的影响就较小。所以裂纹是否产生以及产生的部位往往是评价熔覆层质量的重要的标准之一。从以往的研究情况看，防止裂纹产生的主要方法有：对基体材料预热、熔覆合金粉末的设计、多层熔覆(增加过渡层)、熔覆工艺的优化等[3~5,7,10,11]。本实验熔覆材料采用镍、铜基合金系粉末，其中镍、铜均为面心立方结构，可形成无限固溶体，具有良好的塑性、韧性，这些特点有利于防止裂纹的产生。
图1所示为2#试样熔覆层与QA l9 4铝青铜基体结合区的形貌。从图中可看出熔覆试样具有明显的分层现象，从外往里依次为：熔覆层、结合区、铝青铜基体；并且熔覆层与铝青铜基体的结合面不具有平
面结构，而具有弧度的曲面，这与激光束的能量分布不均匀有关[10]。对激光熔覆后的试样进行测量和观察，熔覆层平均厚度约为1mm，并且表面光滑平整，同时也未发现裂纹缺陷的产生，由此可知熔覆层与QA l9 4铝青铜基体结合良好，达到了冶金结合。激光熔覆试验最初采用恒定的功率进行熔覆，但出现两种情况：一是在熔覆初期，熔覆合金粉末被熔化，而铝青铜基体表面未熔化，导致无法形成结合牢固的熔覆层；其二是在熔覆后期，常常出现铝青铜基体出现过烧的现象。上述两种现象均是由于铝青铜高的导热性所致。为解决上述问题，实验的激光功率采用由高到低的变化方式进行。对熔覆后的试样进行观察，整个熔覆层对基体的稀释率基本一致，没出现基体未熔化或者过烧的现象，形成了结合牢
固的熔覆层。
图1 熔覆层与基体的结合区光学照片
F i g.1 O ptica lm icrograph of t he co m po site reg ion
o f a l u m i num bronze and c laddi ng
图2所示为2#试样熔覆层显微组织照片。由于熔覆层各部位在凝固时的散热条件不同，导致熔覆层各部位的组织也存在差异。图2a所示为接近表面的组织照片，其组织主要为胞状晶。根据激光快速凝固的相关理论[12]，熔池不同区域的凝固速度受凝固方向角的影响，其角度越小，凝固速度越大。熔覆层表层在凝固时凝固角度最小，其生长速率最大，所以生长成胞状晶；图2b和图2d所示为熔覆层中部的显微组织照片。熔覆层中部存在大量的树枝晶，枝干生长的很长、很发达，并且具有一定的方向性。这是由于在熔覆层中部的散热方式主要是热传导，晶体生长速率随着凝固方向角的增加而降低，当速率降到胞枝转变临界速率时，晶体就以树枝状生长，加之在QA l9 4铝青铜基体的垂直面上的温度梯度最大，从而生长成具有明显方向性的树枝晶；图2c所示为结合区的显微组织照片。结合区上部为细晶区，这主要是由于温度较低的基体对熔融的金属液体激冷所造成的。结合区下部由于激光束的搅拌作用使得熔覆层合金成分被QA l9 4铝青铜成分严重稀释，有大量铝、铜元素混入，以及在结合区杂质较多，使合金结晶温度降低，形成树枝晶和胞状晶[11]。 图2d所示为2#试样熔覆层中强化相的SE M照
片。采用电子探针对熔覆层中的颗粒相进行分析，发现其富含C r,Fe元素，成分分析结果如表2所示。由二元Cu Cr合金体系相图[13]可知,C r元素在Cu中固溶度很小，且液态时互相分离；另外,C r
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铝青铜表面激光熔覆层组织与性能研究图2 熔覆层SE M 照片图 (a)接近表面的SE M 照片图;(b)熔覆层中部SE M 照片图
(c)熔覆层底部的SE M 照片图;(d)强化颗粒的SE M 照片
F i g .2 SE M m icrograph of t he c laddi ng (a)SE M m i c rograph o f t he c l add i ng s surface ;
(b)SE M m icrog raph of the claddi ng s m iddle ;(c)SE M m icrog raph o f the c l add i ng s botto m;(d)S EM m icrograph of t he strengthen phase
的熔点为1875 ，远远高于铜的熔点(1083 )。
因此，在激光熔覆快速凝固过程中，大部分C r 合金元素首先析出并凝固成球形颗粒，只有少量残留于基体相中。铁元素同样也具有该种性质
[14]
，所以熔
覆层中出现了富含C r ,Fe 元素的自生颗粒相。显微硬度测试表明该颗粒相硬度为1000~1400HV 0.2，基体相硬度为400~500HV 0.2。由此可见该颗粒相为增强相。
表2 颗粒相的成分(质量分数/%)T able 2 Co m pos ition o f the streng then phase
(m ass frac tion /%)
Cr F e Cu Ba l 34 791
26 224
8 597
30 388
虽然1#和2#
试样合金成分不一样，但是其主要的变化是铜、镍以及铬元素成分的变化，其中铜、镍变化的结果是熔覆层中(Cu ,N i)固溶体成分的变化。对两种试样的组织照片进行对比，发现两种组织照片很类似，主要不同之处在于富C r 相颗粒的数量上，对两种试样的物相分析也可证明这一点。图3所示为两种试样熔覆层的X 射线衍射图，由于快速冷却造成熔覆层材料的晶体结构畸变严重，这会使衍射峰宽化和平移。通过综合分析认为熔覆层主要由(Cu ,N i)
固溶体组成。
图3 激光熔覆层的X 射线衍射谱F i g 3 X R ay energy spectrum o f laser c l add i ng
2.2 熔覆层硬度分析
图4所示为在QA l 9 4铝青铜基体上激光熔覆不同合金成分的熔覆层硬度分布曲线。由图中可见，熔覆层基体硬度(400~520HV 0.2)是QA l 9 4铝青铜基体硬度的3倍左右，且2#
试样比1#
试样的硬度高。2#
试样熔覆层的平均显微硬度为470HV 0.2;1#
试样熔覆层的平均显微硬度为420HV 0.2，低于2
#
试样熔覆层的显微硬度平均值，这主要是两种试样熔覆层合金粉末元素成分不同所致。由此可知，虽
然合金成分对熔覆层组织的影响较小，但是对熔覆层硬度的影响却是显著的。两个试样的硬度分布趋势基本一致：熔覆层硬度经过一段平稳区之后迅速
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减小，减小区域为与QA l9 4铝青铜基体结合的区域，该区域由于QA l9 4铝青铜基体对熔覆层的严重稀释而造成铜含量较高，晶粒相对比较粗大，因此，该区域的硬度介于QA l9 4铝青铜基体与表面熔覆层硬度之间。该区域硬度的变化还能间接反映熔覆层与QA l9 4铝青铜基体结合的好坏。当该区域硬度分布曲线的斜率很大时，即硬度出现突然降低的现象时，常会在结合区发现裂纹，此时，熔覆层与基体结合强度较低，这种现象常出现在熔覆层与基体是机械结合时；若该区域硬度分布曲线的斜率较小时，
表明熔覆层与QA l 9 4铝青铜基体结合的区域较大，熔覆层与基体结合较好；但是，斜率太小时，熔覆层对QA l9 4铝青铜基体稀释较为严重，硬度较高的表面熔覆层厚度则减小，而这种情况往往出现在激光表面合金化的情况下。因此，在评估熔覆层与QA l9 4铝青铜基体结合情况时也可参照硬度分布曲线进行定性评估,1#
和2#
试样的熔覆层与基体均
具有较佳的结合。此外,1#和2#
试样的激光熔覆层中都存在球形富Cr ,Fe 自生颗粒，按照有关颗粒增强金属基复合材料的机理
[15]
，硬质增强颗粒的存
在有利于复合材料硬度和耐磨性的提高。材料的耐
磨性能一般随增强颗粒体积分数和尺寸在一定范围的增加而增加，因此，激光熔覆层中的颗粒有利于熔
覆层耐磨性的提高。
激光熔覆工艺图4 不同成分熔覆层硬度分布曲线图F i g.4 M icrohardness g raph of laser c ladd i ng
w it h d ifferent all oy compositi on
3 结论
(1)采用激光熔覆技术在QA l9 4铝青铜表面熔覆了一层质量优良的Cu ,N i 基合金的熔覆层，该熔覆层与QA l9 4铝青铜基体形成了良好冶金结合。 (2)激光熔覆层组织受凝固速度影响很明显。组织从表面的胞状晶转变成中部的发达的树枝晶,
由于基体的激冷作用，在结合区出现了细晶区，但在细晶区以下又以粗大的树枝晶和胞状晶为主。 (3)激光熔覆层的平均硬度是QA l 9 4铝青铜
基体硬度的3倍，厚度约为1mm 。
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LONG Da w e i1,2, J U Chun yan1,2, YU Tao1,2
(1.State K ey Labo ra t o ry of G ansu A dvanced N on ferrousM e talM ater i a ls,L anzhou U n i ve rsity of T echno logy,Lanzhou730050,Chi na;
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3.T he H eary P ressure V essel&N uc l ear Power T echn i que R esearch Instit ute,Ch i na N ationa l Erzhong G roup CO., D eyang618000,Sichuan Ch i na;
4.P roducts D eve l op m ent D epa rt m en t,Be iji ng Institute of A eronauti ca lM ate ria,l Beiji ng100095, Ch i na)
Abstrac t:A N im atri x a ll oy c l add i ng w as depos ited on the surface o fQA l9 4a l u m i nu m bronze by laser re m e lted techno logy to i m prov e its wear resistance.In orde r to i m prove abso rpti v ity of a l u m i nu m bronze for laser irradiati on,som e all oy powders were pre deposited on the s ur face o f QA l9 4a l u m i nu m bronze by co m pressi ve equ i p m ent and some b i nder,wh ich w as developed by researcher.T hen,t hese all oy po w de rs w ere re m e lted by laser.T he ana l y si s o f the laser c laddi ng on the sur f ace of QA l9 4alu m i nu m bronze show s that the co m posite reg i on o f re m e lted cladding and QA l9 4a l u m i nu m bronze is a bette r me tall urg ica l bond and t here a ren t cracks.The m icrostruc t u re o f cladd i ng is affected by soli d ifi cation rate.The m icrostructure o f the c l add i ng s surface is ce llulated crysta.l In t he m i ddle part o f t he c ladd i ng,the m i crostructure is dendr iti c cry sta.l Because o f ch illi ng effect o fQA l9 4a l u m i num bronze,t he m icrostruc t ure o f the composite reg i on upper i s fi ne gra i n band.T he m icrostruc t ure of t he composite reg i on lo w er is ce ll u lated c rysta l and dendr iti c crysta.l T he average V ickers ha rdness of t he c laddi ng is three ti m es as hard as that o f ord i nary QA l9 4alu m i nu m bronze.
K ey word s:a l u m i nu m bronze;laser c l add i ng;s ur face mod ifi cation
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