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系可熱處理強化的高強變形鋁合金，由于添加了少量鋯元素（Zr）作為晶粒細化劑，該合金在保持高強度水平的同時兼顧韌性、疲勞強度等綜合性能而被廣泛應用于要求具備高強度、高應力腐蝕抗力、良好剝落腐蝕抗力及斷裂韌性的車架枕梁、端面梁等車體結構上[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）將導致零件失效甚至報廢。在復雜工況下，鋁合金構件長期運行導致的不同程度開裂現(xiàn)象時有發(fā)生且無預見性，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技術來解決[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和成本支出，大多數(shù)情況下優(yōu)先采用焊接修復手段。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件的安全性、可靠性及其后期維修技術也提出了更苛刻的要求；后者事關未來高速列車長期服役過程中維護、維保的可持續(xù)發(fā)展問題，具有重大意義。

激光增材修復技術可用于高速列車上鋁合金零件的修復工作；而采用不同種類的金屬粉末材料將對修復效果和修復完成的零件性能產(chǎn)生影響。本研究選擇鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末作為修復材料，通過設計實驗與檢驗修復成果的方式確認其應用于激光增材修復7B05鋁合金的效果。

2 鋁合金修復方法研究現(xiàn)狀及趨勢

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

軌道交通用鋁合金零部件的修復問題同樣是現(xiàn)階段鋁合金焊接迫切需要解決的一項共性關鍵技術問題；從業(yè)者勢必需要研究新的修復技術，進一步探索如何延長軌道交通車輛關鍵結構服役壽命的問題。金屬增材制造技術（3D打?。┮陨a(chǎn)周期短、材料成本低、多材料一體成形為特點，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體零件，是一種可以制造無限高復雜結構或薄壁零件，能夠實現(xiàn)高端數(shù)字智能化、柔性化的快速制造技術，是先進制造業(yè)中最具有潛力和發(fā)展前景的制造技術，是決定2025年經(jīng)濟的12大顛覆性技術之一。金屬增材制造技術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）。激光增材修復技術（Laser Additive Repairing）是以LENS為基礎發(fā)展起來的一項先進的零件修復技術；該技術能夠根據(jù)損傷形面的特殊形狀和尺寸進行快速精密熔覆修復。采用激光增材修復技術修復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）系粉末作為修復材料；此方法的粉末流動性好，可成形性能優(yōu)異，修復后的零件不易產(chǎn)生裂紋[14，17]。但由于Al-Si系合金粉末強度相較于7B05鋁合金更低，使用該系列合金大面積修復7B05鋁合金基體時，將導致零件整體力學性能下降。

鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末是近2年采用等離子氣霧化技術設計和研制出新型的增材制造專用高強鋁合金粉末，可打印出高強度、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上添加適當鈧（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在熱力學上的平衡相——Al3Sc-LI2相。當其作為初生Al3Sc相領先基體α-Al相凝固析出時，可以作為高效異質(zhì)形核質(zhì)點，誘發(fā)等軸晶形成，從而細化晶粒、提高合金強度以及改善熱裂性。Zr元素的添加可以提高合金中沉淀相體積分數(shù)，使合金的沉淀強化效應更加顯著。7B05為7 系鋁-鋅（Al-Zn）系高強鋁合金，含有較多的Zn、Mg等合金元素。傳統(tǒng)方法使用AlSi粉末修復7系鋁合金時，由于Mg元素熔點較低，在高溫熔池中極易發(fā)生燒損現(xiàn)象，修復區(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合金粉末進行修復時，盡管依舊存在Mg元素燒損現(xiàn)象，但由于該合金粉末中Mg含量較高，加之修復過程中使用小光斑修復；小光斑對應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，防止制件力學性能大幅度降低。因此，采用該粉末修復7B05鋁合金，在提高制件整體強度上具有較大指導意義。

基于以上分析，本項目以Al-Mg-Sc-Zr高強鋁合金粉末作為修復材料，采用激光增材修復技術對7B05高強鋁合金板進行預制缺陷修復，并對修復過程中存在的氣孔等缺陷進行機理分析；其最終目標是通過改善修復工藝、施加輔助措施的方式，提高修復制件致密度及力學性能。

3 實驗過程及方法

3.1 實驗系統(tǒng)

激光增材修復實驗在西安鉑力特增材技術股份有限公司的BLT-C1000激光成形及修復設備上完成；該設備配備五軸四聯(lián)動數(shù)控工作臺、惰性氣氛保護室、高精度可調(diào)送粉器和同軸送粉噴嘴。實驗過程中，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，載粉氣體和保護氣體均使用高純氬氣。整個實驗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 實驗材料

本研究待修復鋁合金基材為7B05鋁合金，修復所用材料為采用等離子氣霧化技術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，實驗前，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球形粉末的化學成分實測值如表1所示。

表1 7B05及鋁鎂鈧鋯鋁合金粉末化學成分 wt / %

3.3 實驗方法

在7B05基材上近凈成形試樣塊，同時在7B05基材上預制如圖2所示的V型缺陷，根據(jù)近凈成形試樣塊和修復區(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性能檢測試樣。在7B05鋁合金鍛件表面進行激光增材修復前，為去除機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

實驗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光學顯微鏡觀察金相組織及缺陷，在此基礎上，采用Image-Pro Plus圖像分析軟件計算制件中的孔隙率。

實驗采用維氏顯微硬度計測量試樣維氏硬度，以修復界面為原點，分別檢測7B05鋁合金基體、熱影響區(qū)至鋁鎂鈧鋯修復區(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，停留時間15 s。顯微維氏硬度測試按照GB/T 4340.1試驗方法（金屬材料維氏硬度試驗第1部分）連續(xù)測量三次并取平均值。

激光增材修復后的試樣按照圖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)疲勞試驗方法》標準中的方法（金屬材料室溫拉伸試驗方法）進行。選擇典型拉伸斷裂后的樣品，采用掃描電子顯微鏡 （SEM）對其形貌進行觀察，以進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V型槽成形試樣的截面微觀組織。從圖中可以看出，修復試樣組織由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)，上部為激光修復區(qū)。修復區(qū)與基材界面結合良好，無裂紋及微裂紋產(chǎn)生；修復區(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99.6%。同時可以發(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：鋁合金導熱性能較好，在高能激光束靠近基材的表面幾層時，基材溫度較低，到達基材產(chǎn)生的熱量可以沿基材擴散，導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，也因為冷速較快而被封鎖在熔池中。

激光增材修復過程中產(chǎn)生氣孔缺陷的主要影響因素是氣體在液態(tài)金屬中的濃度及擴散系數(shù)。其中，濃度與擴散系數(shù)呈正比關系，氣體在熔化的液態(tài)金屬中濃度越高，所對應的擴散系數(shù)就越大。擴散系數(shù)越大意味著氣孔從形成、長大、到擴散到熔池表面的時間越短、單位時間內(nèi)形成的氣孔越多。同時，氣孔直徑與其浮出熔池速度呈正比關系，氣孔直徑越大，浮出速度越快。因此，在鋁合金增材修復過程中，氣孔最初產(chǎn)生時，由于此時其尺寸較小，浮出熔池表面較為困難。然而，由于氣體密度遠小于液態(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過程中，由于鋁合金密度較小，加之鋁合金自身導熱快，凝固區(qū)間窄；當鋁合金的結晶速度大于制件內(nèi)部氣泡的上浮速度時，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，由于氣體密度遠小于金屬密度，此處可假設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行激光增材修復過程中，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，和修復其他金屬材料相比，激光增材修復鋁合金組織形成氣孔的敏感性較大。

5 激光增材修復 7B05 鋁合金力學性能演變趨勢

5.1 顯微硬度演變趨勢

圖6展示了激光增材修復7B05鋁合金顯微硬度演變趨勢。以界面處為原點，分別向基體區(qū)、修復區(qū)輻射，每隔 50 μm 打1個點?？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。而進入修復區(qū)后，當高能激光束掃描基體時，由于基材散熱較快，修復的前幾層溫度梯度較高、冷速較快，在“過渡區(qū)”的組織應力較為集中，體現(xiàn)在硬度數(shù)值上即為顯微硬度增大。當沿沉積方向繼續(xù)修復時，制件傳熱進入穩(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后的V型坡口進行取樣及室溫拉伸性能檢測，檢測結果如表3所示。為確保實驗結果一致性，同時在與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)，激光增材修復后的抗拉和屈服強度均達到鍛件力學性能的80%以上，觀察其斷裂區(qū)域，發(fā)現(xiàn)斷裂位置均為鍛件處，表明激光修復區(qū)與鍛件基體結合性能良好。

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

對室溫拉伸后的典型斷口進行分析，結果如圖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，鋁鎂鈧鋯粉末修復的試樣整體延伸率較高，但由于強化元素Sc元素含量降低，屈服強度暫未達到指標規(guī)定的母材的80%。

6 結論

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

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

（2）力學性能測試結果顯示，激光增材修復制件抗拉強度最高可達 342 MPa ，且平均數(shù)值可達到7B05鋁合金鍛件標準的80%以上。