激光沉积修复ZL105铝合金显微组织及力学性能

Microstructure and mechanical properties of ZL105 aluminum alloy repaired by laser deposition

摘要

随着航空航天领域的飞速发展，航空铝合金铸件的高质量修复技术具有重大的经济效益和科研价值，为此，开展了ZL105铝合金的激光沉积修复技术研究。探索了最佳的激光沉积修复工艺参数，分析激光修复区的组织形貌及试样的显微硬度和室温拉伸性能。结果表明，修复区与基体形成良好的冶金结合。修复区组织细密，由柱状树枝晶和等轴晶组成。修复区显微硬度较基体提升了16%，修复件强度可达基体强度的96%以上，且随着修复比的增大，修复件的强度逐渐降低，但塑性提高。修复试样断裂机制是“韧+脆”的混合断裂。

Abstract

With the rapid development of the aerospace industry，high quality repair technology of aerospace aluminum alloy castings has significant economic benefits and scientific research mirits.Accordingly，a study on the laser deposition repair technology of ZL105 aluminum alloy was carried out.Optimal laser deposition repair process parameters were explored.The microstructure morphology of the laser repair area，the microhardness and room temperature tensile properties of the specimens were measured.The results show that good metallurgical bonding between the repair area and the substrate are obtained.Restoration areas are finely organized and composed of columnar dendrites and isometric crystals.The microhardness of the repaired area increased 16% compared to the substrate，and the strength of the repair parts can reach more than 96% of the strength of the substrate.What’s more，as the repair ratio increases，the strength of the repair parts decreases gradually but the plasticity improves.The fracture mechanism of the repaired specimen is a mixed fracture of tough and brittle.

关键词

激光沉积修复 / ZL105铝合金 / 显微组织 / 显微硬度 / 拉伸性能

Key words

laser deposition repair / ZL105 aluminum alloy / microstructure / microhardness / tensile properties

ZL105铝合金具有高比强度、良好的铸造与焊接性能及良好的耐腐蚀性能等优点^［1］，近年来被广泛应用于航空航天领域，如飞机附件机匣和载人飞船大型密封舱等承受高载荷的零件^［2］。然而，此类零件往往结构复杂，在制造过程中常产生冶金缺陷或加工损伤，造成巨大的废品损失，因而铸造铝合金零件的高质量修复技术逐渐成为研究热点^［3］。

由于氩弧焊等传统的修复方法存在操作过程不稳定及高热输入导致的尺寸精度差、修复区组织粗大等问题^［4］，无法满足构件的高精度、高性能的修复需求。激光沉积修复技术^［5-6］（laser deposition repairing，LDR）具有能量密度集中、热输入小、修复精度高等优点，近年来被广泛用于修复各类金属构件。Singh等^［7］通过搅拌摩擦复合激光沉积技术修复7050铝合金，显著细化了修复区的显微组织，提高了修复件的力学性能。Dinda等^［8］采用激光定向沉积技术制备了Al-Si合金，成形件的显微组织由柱状晶向等轴晶的周期循环过渡。钦兰云等^［9］对预制槽损伤ZL114A合金试件进行了激光沉积修复研究，修复试件的拉伸强度达到了铸件的90%。余善佶^［10］采用激光沉积技术对7N01铝合金进行修复试验，通过分层间隔时间法和热处理法，解决了修复过程中的基板软化问题。徐荣等^［11］对5083-H112铝合金开展激光沉积修复研究，修复件抗拉强度与母材强度相当，且断裂发生在母材。祝弘滨等^［12］对5083铝镁合金开展了激光沉积修复研究，建立了修复体积与修复试样力学性能的联系。

由文献［13］可知，铝合金材料对激光的反射率高达97%，并且低熔、沸点的铝合金材料极易烧损，使得铝合金的激光加工受到局限，因此国内外对于铝合金的激光沉积修复研究相对较少。本文以航空航天领域应用广泛的ZL105铝合金为研究对象，对其开展激光沉积修复研究，优化修复工艺参数，深入分析修复件的显微组织演变规律，建立显微组织与力学性能相关性，以期为激光沉积修复技术在航空铝合金构件修复领域的应用提供实验数据和参考。

1 实验材料及方法

实验所用基体材料为ZL105铝合金铸造板材，修复材料为ZL105铝合金球形粉末（粒度为70~150 µm），ZL105铝合金的化学成分如表1所示。实验前，基体表面用砂纸打磨去除氧化层，经丙酮清洗后备用。为去除粉末中的水分，将ZL105铝合金粉末放置在60 ℃的真空炉中加热6 h。

修复实验所用设备为LDM-800激光增材制造系统。通过研究激光功率扫描速度、送粉速率等工艺参数对试样成形性的影响，优化修复工艺参数，实验过程中采用氩气保护。

沿垂直于激光扫描的方向截取ZL105铝合金修复试样并进行镶嵌。对镶嵌后的金相试样进行打磨、拋光处理，然后使用氢氟酸混合液（V _HF∶V {}_{{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}}=1∶10）进行化学腐蚀。采用OLYMPUS-GX51光学金相显微镜和EISS-ΣIGMA扫描电子显微镜对金相试样和断口进行微观组织观察与分析。

利用HVS-1000A型显微硬度计对修复试样进行显微硬度测量，加载载荷为100 g，加载时间为10 s。针对拉伸性能测试样品，为更好体现铝合金构件的损伤特点，将常见的裂纹、加工超差等损伤规则化为槽状，如图1a所示。此外，为体现修复区尺寸对拉伸性能的影响，分别设计了10%、20%、30%和40%修复比（拉伸棒中部修复区截面高度占总体高度的比值）的拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1b所示（单位：mm）。采用INSTRON-5982电子万能试验机对修复试样的室温拉伸性能进行测试，加载速率为2 mm/min。

2 结果与分析

2.1 激光沉积修复工艺参数优化

本文中激光沉积单道单层实验参数选定如下：激光功率为1 200~2 600 W，扫描速度为3~9 mm/s，具体实验参数及其对应的表面宏观形貌如图2所示。由图2可知，随着激光功率的增大和扫描速度的减小，单道沉积层的尺寸逐渐变宽，这与能量输入密切相关。由激光能量密度方程（E=P/（VD），P为激光功率，V为扫描速度，D为光斑直径）^［14］可知，当激光功率较小或扫描速度过大时，激光能量密度较低，导致单位质量的粉末吸收的热量较少，造成粉末熔化不彻底，降低了单道成形件的尺寸；当激光能量密度过大时，沉积试样将出现过烧和成分烧蚀现象，且极易造成修复件的弯曲、变形，影响加工精度。

在扫描速度为5 mm/s、分层厚度为0.8 mm及搭接率为45%的条件下^［15］，通过调整激光功率（1 800~2 400 W），制备了多道多层（15道、3层）的沉积试样，尺寸为30 mm×20 mm，宏观形貌如图3所示。由图3可知，当激光功率为1 800 W时，沉积试样表面出现明显的熔合不良现象，这直接导致了沉积层表面粗糙度的大幅增加，对最终成形件的外观质量及尺寸精度产生了不利的影响。然而，当功率提升至2 000 W时，沉积层表面最为平整。随着激光功率的继续攀升，沉积层发生塌陷。此外，沉积试样温度的持续升高还诱发了周围材料的黏粉问题，严重降低了成形试样的尺寸精度。因此，针对多道多层修复试样，最佳的激光功率为2 000 W。

2.2 显微组织分析

ZL105铝合金激光沉积修复试样微观组织如图4所示。由图4可知，沉积层与基体间形成良好的冶金结合，修复试样由修复区、热影响区和底部基体3部分组成，如图4a所示。如图4b所示，修复区主要由α-Al和Al-Si共晶组成，且组织极其细小，这是因为激光沉积技术具有热输入小的特点，其形成的熔池尺寸小、停留时间短，加之其散热方式是多向的，不仅向底层传导，还向空气中散热，使得凝固速度快，枝晶的生长受到限制，显著减小了枝晶尺寸，晶粒趋于等轴化。此外，沉积层内出现少量气孔缺陷，根据其他研究表明^［14］，该气孔主要为氢气孔。氢的来源主要包括基材和粉末中溶解的氢，在激光辐照时，液态熔池能够溶解大量的氢，随着熔池温度的降低，合金对氢的溶解度逐渐下降，氢将以气体的形式溢出。由于铝合金密度较低且熔池凝固速度较快，导致气体无法及时溢出，最终在沉积层内部形成气孔缺陷。与修复区内部组织不同，在与基体接触的熔合区附近，显微组织主要由粗大的沿着沉积方向外延生长的柱状晶组织构成，如图4c所示。这主要是由于界面处熔池与基体温度差异大，温度梯度高造成的，而随着与熔合线距离的增加，温度梯度逐渐降低，使熔池中的液态金属凝固为等轴晶组织。此外，熔合区下方基材存在晶间组织重熔现象，这是由于Al和Si的共晶反应温度为577 ℃，低于α-Al枝晶的熔点，在熔池热量的作用下，晶间共晶组织先于α-Al枝晶熔化。图4d为基体的金相组织，由粗大的等轴α-Al枝晶和晶间Al-Si共晶构成。相较于修复区，基体的显微组织明显粗化。

图5为多层修复试样的微观组织形貌。由图5可知，熔合线上方处出现明显的定向生长的柱状晶组织，随着温度梯度的变化，柱状晶组织向等轴晶组织转变。随着后续沉积过程的进行，部分等轴晶组织将被重熔，最终形成柱状晶与等轴晶交替形成的形貌特点，如图5a所示。与单道单层修复区晶粒尺寸相比，多层修复试样的微观组织更为粗大，这是由于在多层修复过程中，随着沉积层数的增加，试件的热量累积增大，进而导致修复区组织粗化，如图5b所示。

2.3 显微硬度分析

ZL105铝合金修复试样的显微硬度如图6所示，基材的平均硬度约为83.3 HV_0.1，修复区的平均硬度约为96.7 HV_0.1，其硬度比基材高16%。这是因为：1）修复区组织较为细密，根据Hall-Patch关系^［15］，试样的晶粒尺寸越细小，其硬度越高，因此修复区组织的细化导致了修复区硬度的增加；2）激光沉积修复属于快速凝固过程，组织处于过饱和状态，Al基体中的Si原子引起的晶格畸变，增加了位错运动的阻力，使滑移不易进行，形成显著的固溶强化效果^［11］，促进硬度的提升。

2.4 拉伸性能分析

不同修复比拉伸试样的室温拉伸性能如图7所示。经过对比发现，随着修复比的增大，修复试样的抗拉强度和屈服强度逐渐下降，这是由于随着修复比的增大，修复试样的热积累也随之增大，使修复区及热影响区组织粗化，降低了试件的强度。但随着修复比的增大，修复试样的塑性呈上升趋势，这是由于随着热积累的增加，结晶的冷却速度下降，晶粒继续生长，导致晶界数量下降；由于位错越过晶界需要攀移或交滑移，需要消耗很大的能量才能进行。因此，晶界数量的降低使位错在材料内部的运动易于进行，从而使塑性提高。此外，随着热输入的增大，更多的晶间组织将发生重熔，将导致强度的降低与塑性的提升。因此，由图7可知，10%修复比试样的强度最高，达到了基体强度的96%以上。

2.5 断口分析

修复比为20%的修复试样的拉伸断口形貌如图8所示。

不同修复比的拉伸试样均断裂在修复区，其断口形貌相似。从图8a可以看出，修复试样的断口由修复区和基体组成。从图8b可以看出，修复区部分可观察到明显的韧窝组织及小尺寸的气孔缺陷，气孔的存在极大降低了有效截面积，并造成了应力集中，在受同等拉力的条件下相当于拉应力增大，导致自身的抗拉强度下降，说明该处断裂的机制是由于气孔缺陷诱发的韧性断裂。图8c为基体区的断口形貌，可以看到明显的解理面和河流状花样，表明基体的断裂机制为典型的解理断裂，这是由于在拉伸过程中，脆性的晶间Al-Si共晶组织发生破碎及低强度的大块α-Al枝晶断裂导致的。综合以上分析可知，修复试样的拉伸断裂机制为“韧+脆”混合断裂。

3 结论

本实验采用激光沉积修复技术对铸态ZL105铝合金开展修复研究，优化了修复工艺参数，分析了修复件的显微组织演变规律，建立了显微组织与力学性能相关性。具体结论如下：

1）ZL105铝合金激光沉积修复优化后的工艺参数：激光功率为2 000W，扫描速度为5 mm/s；基材与修复区形成良好的冶金结合，修复试样由修复区、热影响区和底部基体组成。

2）修复区主要由α-Al和Al-Si共晶组成，且组织极其细小；修复区底部呈现为定向生长的柱状枝晶形态，顶部则呈现出细小的等轴晶形态；修复区中存在少量气孔缺陷。

3）ZL105铝合金基材的平均硬度约为83.3 HV_0.1，在细晶强化、固溶强化作用下，修复区的平均硬度达到了96.7 HV_0.1，较基材提升了16%。

4）10%修复比试样的强度最高，达到了基体强度的96%以上。随着修复比的增大，修复件的强度降低，塑性提高。修复试样断裂机制是“韧+脆”的混合断裂。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFE0122600)

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