ZL101铝合金试样表面激光熔覆ZL104试验报告

项目研发ZL101表面激光熔覆ZL104成都青石激光科技有限公司1. 1. 项目介绍铝合金质轻，比强度高，力学性能接近或超过钢，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量使用。但铝合金结构件在生产制造和使用过程中容易产生铸造及疲劳裂纹等缺陷，这些缺陷的存在将显著降低零件的使用性能，严重时会导致零件报废，造成巨大的经济损失。因此有必要寻求一种适合铝合金的修复方法。传统的修复技术主要有电镀、电弧或火焰堆焊、热喷涂(火焰、等离子体)等。这些修复技术已经在零件修复中获得了重要应用，但是这些技术本身还存在一定的不足之处，如结合力不高，热输入过大导致零件变形，修复后力学性能差等问题。作为一种增材手段，激光熔覆技术是指以高能密度的激光束作为热源，在基材表面预置熔覆层粉末或以同步送粉的方式，经激光束照射基材表面和粉末熔融，并快速冷却，熔覆层与基材达到冶金结合，从而实现增材制造的一种技术。激光熔覆技术还常被作为材料表面改性技术的一种有效手段，可以显著改善金属材料表面的强度、硬度、耐磨、抗高温氧化、耐腐蚀等性能。与其他表面处理技术相比，激光熔覆具有许多优点，如熔覆热影响区小，工件变形小，工艺易于实现自动化等。自从激光熔覆技术出现以来，熔覆材料的开发与研究一直受到人员的高度重视。激光熔覆常采用的材料主要包括自熔性合金粉末、复合材料粉末、陶瓷粉末和生物材料等。本项目针对铸铝缩松缩孔的问题，利用激光熔覆技术对铸铝件增材再制造进行研究，旨在评估铸铝件的铸造缺陷修复进行可行性，并最终达到产品修复的目的。图1.1项目技术路线2. 试验条件2.1试验材料经过成分分析，待修铸铝件材质为：ZL101铝合金，其化学成分如表2.1所示，抗拉强度σb(MPa)：≥190，伸长率δ(%)：≥2，硬度(HB)：≥65表2.1ZL101铝合金化学成分（质量分数）/%元素SiCoNiFeCuSbZnCrAl含量8.430.0360.0470.1590.0120.1540.0060.071余量根据我司目前的铝合金粉末库存，选取成分相近的高强度铝合金ZL104（AlSi10Mg）作为熔覆材料，其化学成分如表2.2所示，抗拉强度σb(MPa)：≥195，伸长率δ(%)：≥1.5，硬度(HB)：≥65表2.1ZL101铝合金化学成分（质量分数）/%元素SiMgMoFeCdNbZnZrAl含量9.50.181.251.620.1881.130.2840.256余量由于两种材料均属于铝硅系铝合金，且具有相似的成分和理化性能，可以预测两者具有较好可熔性。2.2试验设备采用自主研发的熔覆设备，主要部分为具有高能量密度的2KW光纤激光器、高精度6轴工业机器人、自动送器和软件控制系统。图2.1实验设备3.试验氛围：由于铝合金易被氧化，故试验在环境箱纯氩气保护氛围，氧含量＜100ppm。根据熔覆所需工艺参数进行多组不同工艺参数的工艺调试，并得到以下规律：由于铝合金具有较好的导热性，预热有助于熔覆层的形成，且功率在600w以上才能形成有效的熔覆量，功率越大熔覆量约越大。速度降低也有利用形成量大的熔覆层。线能量密度较大时易烧损铝合金基材。图3.1是工艺调试过程中的部分单道及调试块。图3.1工艺调试过程中的部分熔覆效果4.结果检测利用三种不同工艺参数制作金相试样块，如图4.1所示，图4.1用于金相检测的试样块金相照片如图4.2所示：工艺一工艺二工艺三图4.2金相试样腐蚀前从图4.2的金相照片中，可以看出熔覆层和结合区均未出现气孔、未熔合、裂纹等缺陷，熔覆层组织致密。基材的热影响区小，熔覆层与基材的结合区明显，是可靠的冶金结合。通过对比，熔覆层的晶粒大小明显小于基材，且由于熔覆层与基材成分相似，可以推测，熔覆层的力学性能优于基材和传统的铸态ZL104铝合金。此外，熔覆层从结合区到表面依次出现树枝晶组织、树枝晶+共晶混合组织、等轴晶组织。这主要与熔覆层的凝固条件(凝固速度V和固液界面的温度梯度)有关系，基于激光熔池本身的传热特征，凝固始终自熔池底部向熔池顶部进行，在激光熔覆过程中，温度梯度高，凝固速度低时，容易形成柱状晶，温度梯度低，凝固速度高时容易发生柱状晶向等轴晶的转变，故熔覆层底部是典型的定向凝固柱状树枝晶组织，树枝晶都朝着熔覆沉积方向生长，并向扫描方向倾斜；修复区中部也是具有定向凝固特征的组织，不过在熔覆层顶部出现了明显的柱状晶/等轴晶转变；修复区顶部则表现出完全等轴晶组织。硬度测试：利用维氏硬度计对试样进行硬度测试，根据随机在基材和熔覆层选点硬度测试的原则，得到不同工艺的硬度如表4.3所示：表4.3不同工艺的硬度值位置1（HV0.2）位置2（HV0.2）位置3（HV0.2）位置4（HV0.2）位置5（HV0.2）平均值（HV0.2）工艺一基材1526057515655.2熔覆层1847786948084.2工艺二基材2575456525454.6熔覆层2918992918689.8工艺三基材3695754585658.8熔覆层31088490899493图4.4硬度曲线图从表中可以看出，熔覆层硬度明显高于基材硬度，在硬度上有了极大提高，说明激光熔覆技术对于ZL104成型很好的改善作用，优于传统的铸造成型。5.试件修复本次修复试件尺寸约为150*100*5mm，由于试件的缩孔贯穿，这对于修复有一定难度，修复采取修复前将一面打磨干净，排除部分缺陷，激光熔覆封堵，再将样件打磨排除所有缺陷，再进行熔覆的方式进行。修复前的试件及修复后的试件如下图所示：a.修复前b.修复后图5.1试件修复前后修复后，修复部位的铸造缺陷基本被排除，并恢复到足够尺寸。