王秋林，黃德明，朱金波，李 勇，趙龍志

(1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610100；2.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074；3.華東交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

7075鋁合金屬于超高強(qiáng)度變形鋁合金，具有可熱處理強(qiáng)化、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但由于其表面性能不足，使用范圍受到了一定的限制[4-5]。目前，學(xué)者們采用了微弧氧化，化學(xué)熱處理，激光熔覆等技術(shù)對(duì)7075鋁合金表面進(jìn)行強(qiáng)化，提高其耐磨性、耐腐蝕性等[6-7]。但存在著強(qiáng)化層較薄或工藝周期長(zhǎng)、易開裂等缺點(diǎn)[8-9]。

本試驗(yàn)采用激光熔注技術(shù)，將7075鋁合金基體表面熔化，同時(shí)向熔池中注入Cr粉和Al粉，冷卻后，Cr粒子被“凍結(jié)”在表層，形成Cr-Al/7075復(fù)合材料層。由于熔池溫度梯度等原因，復(fù)合材料層的成分是梯度變化的，可以避免熔注層的開裂問題，且工藝周期短。激光功率的變化會(huì)影響熔池的深度，通過控制激光功率可以控制復(fù)合材料層的厚度，同時(shí)也會(huì)影響強(qiáng)化層的微觀結(jié)構(gòu)、物相組成以及性能[10]，本試驗(yàn)探討不同激光功率對(duì)Cr-Al/7075梯度復(fù)合材料層形貌及硬度的影響。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

采用T6態(tài)的7075鋁合金板材作為試驗(yàn)基材，尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。先用800目砂紙磨掉板材表面的氧化層，超聲波清洗5 min，去除油污及其他附著物。用電吹風(fēng)將板材完全吹干后，對(duì)其進(jìn)行噴砂處理，目的是提高激光的吸收率。熔注材料采用商用的Cr粉(平均粒徑為45 μm，純度不小于99.0%)和Al粉(平均粒徑為58 μm，純度不小于99.0%)，按照w(Cr)=90%的Cr粉比例放入YG-1KG型混料機(jī)中，混合2 h(正反轉(zhuǎn)間隔時(shí)間為1 min)后，然后將混合均勻的Cr-Al粉末放置在干燥爐內(nèi)，40 ℃恒溫干燥30 min。在Cr粉中加入一定比例Al粉的目的有兩個(gè)：一是Al的熔點(diǎn)低(660 ℃)，激光作用下易熔化，與Cr混合后可提高Cr粒子與基體的潤(rùn)濕性；二是可增加Cr與Al的反應(yīng)概率，提高增強(qiáng)體與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

1.2 梯度復(fù)合材料層制備

梯度復(fù)合材料層制備采用激光熔注工藝，試驗(yàn)示意圖如圖1所示。將7075鋁合金表面熔化，采取氬氣保護(hù)同軸送粉的方式注入混合好的Cr-Al顆粒，自然冷卻后，7075鋁合金表面形成Cr-Al/7075復(fù)合材料層。工藝參數(shù)為：采用LDM2500-60半導(dǎo)體型激光器，光斑直徑為d=2.5 mm，氬氣同軸送粉的送粉量為mp=15 g/min，掃描速度v=250 mm/min，單道，激光功率P分別為1.1 kW、1.4 kW、1.7 kW。

圖1 激光熔注工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser melting process

1.3 組織觀察及性能測(cè)試

采用日本Rigaku(理學(xué))公司的SmartLab型X射線衍射儀做物相分析，CuKα輻射(λ=0.1540 56 nm)，管壓40 kV，管流40 mA，連續(xù)掃描模式，掃描速度為8°/min；用日立SU3500型掃描電鏡(SEM)和金相顯微鏡(OM)觀察復(fù)合材料層的宏觀形貌和微觀結(jié)果；使用HV-1000A型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔維氏硬度計(jì)測(cè)試復(fù)合材料層硬度，壓頭為136°正菱形金剛石，載荷1.96 N，保荷時(shí)間10 s，取5點(diǎn)硬度的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

圖2為不同激光功率熔注的Cr-Al/7075梯度復(fù)合材料層的宏觀形貌。由圖2可見，表面較粗糙，大體平整，無較大起伏，便于后期精磨等加工，無裂紋。隨著激光功率增加，熔注層的寬度逐漸增加。

圖2 不同激光功率熔注的復(fù)合材料層宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphologies of composite layers molten with different laser powers

圖2為不同激光功率熔注的復(fù)合材料層的橫截面宏觀形貌。復(fù)合材料層與基體結(jié)合處無明顯分界線，說明兩者為冶金結(jié)合，且無裂紋、孔隙等明顯缺陷。熔注層的厚度隨激光功率增加而逐漸增加。

復(fù)合材料層的寬度W和厚度h與激光功率緊密相關(guān)。激光輸入能量的大小可以用激光能量密度來表示[11]：

(1)

式中：

E—激光能量密度；

P—激光功率；

D—激光光斑直徑；

V—掃描速度。

E表示材料在單位面積上所受到的激光輻射能量，在激光光斑直徑D和掃描速度V一定時(shí)，激光能量密度E和激光功率P成正比。隨著激光功率P增加，材料所受到的激光輻射能量E增大，能量通過熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式在三維方向上擴(kuò)散，7075鋁合金基體的熔化區(qū)域增大，熔池的深度和寬度因此增加。

圖3 不同激光功率熔注的復(fù)合材料層橫截面宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphologies of cross section of the composite layer with different laser power injection

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

圖4為不同功率、不同部位復(fù)合材料層的微觀結(jié)構(gòu)。由圖4可見，當(dāng)激光功率P=1.1 kW時(shí)，熔注層中無明顯的增強(qiáng)顆粒進(jìn)入，只有少量的顆粒鑲嵌在表面；在P=1.4 kW和P=1.7 kW的熔注層中，進(jìn)入了大量的增強(qiáng)顆粒，上部含量多，中部逐漸減少，底部幾乎沒有，呈明顯的梯度分布。其中，1.7 kW的增強(qiáng)顆粒與基體融合在一起，界面不清晰(圖4g)，中部的Cr粒子呈“C”字形(圖4h)。

Cr-Al/7075梯度復(fù)合材料層中增強(qiáng)顆粒的分布特征，主要是由激光熔注過程中熔池的溫度場(chǎng)和凝固特點(diǎn)等因素決定[12]。熔池溫度場(chǎng)分布與激光束的能量分布一致，為高斯分布[13]，以激光與7075鋁合金基體接觸點(diǎn)為中心，溫度最高，熱量在三維方向上散發(fā)，溫度逐漸降低。激光熔注過程中，先進(jìn)入熔池的增強(qiáng)顆粒，繼續(xù)沿著注入方向運(yùn)動(dòng)，只有當(dāng)顆粒遇到熔池的凝固前沿受阻后才會(huì)停止下來。由于鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性，熔池很快就開始凝固，凝固的過程則是從四周向中心進(jìn)行，后進(jìn)入熔池的增強(qiáng)顆粒在熔池中運(yùn)動(dòng)較短的距離就遇到凝固前沿，不能繼續(xù)向前，因此形成中心增強(qiáng)顆粒多(圖3b中最為明顯)，向四周逐漸減少的梯度復(fù)合材料層。

熔池溫度與激光能量密度具有正相關(guān)關(guān)系，綜合式(1)可知，調(diào)節(jié)激光功率P可改變?nèi)鄢販囟?。?dāng)激光功率P=1.1 kW時(shí)，熔池溫度過低，黏度高，表面張力太大，增強(qiáng)顆粒不能進(jìn)入到熔池中，就只能鑲嵌在表面；當(dāng)激光功率P增大到1.4 kW和1.7 kW時(shí)，熔池溫度升高，黏度下降，增強(qiáng)顆粒進(jìn)入了熔池，并形成梯度復(fù)合材料層；當(dāng)激光功率為1.7 kW時(shí)，熔池的溫度繼續(xù)升高，根據(jù)圖4g、圖4h和文獻(xiàn)[14-15]知，增強(qiáng)體Cr粒子和Al基體在此時(shí)可能發(fā)生了界面反應(yīng)，生成AlxCry金屬間化合物。

2.3 物相分析

圖5是不同功率Cr-Al/7075梯度復(fù)合材料層的XRD分析圖譜。熔注層是由Al、Al0.983Cr0.017(FCC)、Al86Cr14(亞穩(wěn)相)、η-AlCr2、Al13Cr2、Al2O3、Cr組成的復(fù)合材料層，但各相的含量不同。分析得知，隨著激光功率增大，Al相的含量逐漸減小，其他相的含量逐漸增多。在37°～46°出現(xiàn)寬泛漫散射峰，寬化峰說明熔注層中還可能存在非晶相。隨著激光功率的增大，對(duì)應(yīng)晶體相尖銳衍射峰強(qiáng)度逐漸下降，說明非晶相含量呈上升趨勢(shì)[16-17]。

激光功率增大會(huì)引起熔池的溫度發(fā)生變化。梁耀榮[18]用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光加工時(shí)溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，其計(jì)算溫度T與實(shí)際溫度的相對(duì)誤差為3.3%。

T=5.1728Pe-v+828

(2)

計(jì)算得知，本試驗(yàn)中激光功率P為1.1 kW、1.4 kW、1.7 kW時(shí)，7075鋁合金表面溫度分別為916 ℃、940 ℃、964 ℃，均達(dá)到了Cr-Al反應(yīng)的溫度[11]，生成了AlxCry金屬間化合物。但7075鋁合金的激光反射率和導(dǎo)熱系數(shù)都比較大，當(dāng)熔池的溫度不夠高時(shí)，而冷卻速度較快，Cr-Al反應(yīng)未完全，會(huì)存有大量的未反應(yīng)的Cr粒子。

隨著激光功率增大，熔池中的溫度升高，Cr-Al反應(yīng)程度逐漸增大，其反應(yīng)生成物的種類和含量逐漸增多。同時(shí)熔池內(nèi)外溫度梯度增大，非晶相含量增多。當(dāng)激光功率P=1.1 kW時(shí)，Al和Cr生成初生相Al0.983Cr0.017和體心立方結(jié)構(gòu)的η-AlCr2相，其含量很少；激光功率P=1.4 kW時(shí)，出現(xiàn)了新相Al13Cr2；激光功率P=1.7 kW時(shí)，此時(shí)溫度足夠高，Al和Cr原子熱激活能量大，容易發(fā)生遷移，反應(yīng)擴(kuò)散速率增大，AlxCry金屬間化合物的含量大大增加，還出現(xiàn)了新相Al86Cr14(亞穩(wěn)相)。

2.4 顯微硬度

圖6為Cr-Al/7075復(fù)合材料層從表面到基體方向的顯微硬度分布情況。復(fù)合材料層的硬度明顯呈梯度分布，從表面到基板方向逐漸下降。根據(jù)混合定律[19]，復(fù)合材料受到載荷作用時(shí)，其強(qiáng)度為

σc=σmVm+σpVp

(3)

式中:

σc—復(fù)合材料強(qiáng)度；

σm—基體強(qiáng)度；

Vm—基體體積分?jǐn)?shù)；

σp—增強(qiáng)體強(qiáng)度；

Vp—增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)。

Cr-Al/7075復(fù)合材料中的增強(qiáng)體含量呈梯度分布，與其顯微硬度分布一致，說明復(fù)合材料層硬度升高的主要原因是增強(qiáng)體承載。

由圖6可知，功率為1.4 kW時(shí)的復(fù)合材料層的表面硬度最大(為427.5HV0.2，是7075鋁合金基體的3.01倍)，功率為1.7 kW時(shí)的次之，功率為1.1 kW時(shí)的表面硬度最低。說明復(fù)合材料層的硬度除了和增強(qiáng)體含量有關(guān)外，還跟增強(qiáng)體與基體反應(yīng)程度等有關(guān)。當(dāng)激光功率為1.7 kW時(shí)，其增強(qiáng)體含量最多，但由于此時(shí)的激光能量密度最高，Al、Cr激活能大，生成了大量的AlxCry金屬間化合物，界面反應(yīng)程度高，不利于載荷的傳遞，硬度因此下降。雖然功率為1.4 kW時(shí)的增強(qiáng)體含量不如1.7 kW時(shí)的高，但界面結(jié)合強(qiáng)度高，因此硬度最高，此為最佳功率。

圖6 復(fù)合材料層熔池深度方向的顯微硬度分布Fig.6 Microhardness distribution in the depth direction of the molten pool of the composite layers

3 結(jié) 論

1)通過激光熔注的方法制備了Cr-Al/7075梯度復(fù)合材料層，且與7075鋁合金基體結(jié)合良好，無裂紋、孔隙等明顯缺陷。復(fù)合材料層中增強(qiáng)顆粒沿熔池深度方向呈梯度分布，與其顯微硬度分布一致。

2)隨著激光功率的提高，復(fù)合材料層的寬度和厚度增加，增強(qiáng)體含量也增加，Cr-Al反應(yīng)生成物的種類和含量逐漸增多。

3)7075鋁合金表面得以強(qiáng)化的主要原因是增強(qiáng)體承載。增強(qiáng)體的含量以及與基體的界面反應(yīng)程度都會(huì)對(duì)硬度造成影響，當(dāng)功率為1.4 kW時(shí)，復(fù)合材料層的表面硬度最大，為427.5HV0.2，是7075鋁合金基體的3.01倍，此功率為最佳功率。