简介概要

冷焊与冷焊激光复合修复ZL114A铝合金组织和力学性能研究

来源期刊：稀有金属2020年第1期

论文作者：王维张永泽杨光李勇军钦兰云任宇航

文章页码：18 - 25

关键词：冷焊修复;激光沉积修复;ZL114A;显微组织;显微硬度;拉伸性能;

摘要：采用冷焊与冷焊激光复合修复技术对预制槽损伤的ZL114A铝合金进行修复实验研究,系统分析了热处理前后的组织形貌,测试了样品的显微硬度和室温拉伸性能。结果表明:冷焊与冷焊激光复合两种修复工艺修复区与基材都形成良好的冶金结合,修复区组织同为α-Al枝晶和枝晶间Al-Si共晶,共晶Si相具有大量棒状分支,激光沉积修复区一次枝晶间距13.1μm,二次枝晶间距6.7μm,约为冷焊修复区的3倍。因冷焊修复区具有相对较高的过冷度导致共晶Si相的棒状分枝更为发达。热处理后两种修复工艺的修复区组织中共晶Si相圆整度都得到了显著提高,冷焊修复区Si颗粒分布更加弥散均匀,但出现少量粗大的共晶Si相,颗粒度约为激光沉积修复的1/2。T6热处理后修复区硬度相比于热处理前都有明显提高,对修复后试件进行室温拉伸试验,试件均在铸造基体处断裂,表明两种工艺的修复区强度均高于修复的铸造基板强度。

网络首发时间: 2018-11-01 09:18

稀有金属 2020,44(01),18-25 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy18080036

冷焊与冷焊激光复合修复ZL114A铝合金组织和力学性能研究

王维张永泽杨光李勇军钦兰云任宇航

沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司

摘要：

采用冷焊与冷焊激光复合修复技术对预制槽损伤的ZL114A铝合金进行修复实验研究,系统分析了热处理前后的组织形貌,测试了样品的显微硬度和室温拉伸性能。结果表明:冷焊与冷焊激光复合两种修复工艺修复区与基材都形成良好的冶金结合,修复区组织同为α-Al枝晶和枝晶间Al-Si共晶,共晶Si相具有大量棒状分支,激光沉积修复区一次枝晶间距13.1μm,二次枝晶间距6.7μm,约为冷焊修复区的3倍。因冷焊修复区具有相对较高的过冷度导致共晶Si相的棒状分枝更为发达。热处理后两种修复工艺的修复区组织中共晶Si相圆整度都得到了显著提高,冷焊修复区Si颗粒分布更加弥散均匀,但出现少量粗大的共晶Si相,颗粒度约为激光沉积修复的1/2。T6热处理后修复区硬度相比于热处理前都有明显提高,对修复后试件进行室温拉伸试验,试件均在铸造基体处断裂,表明两种工艺的修复区强度均高于修复的铸造基板强度。

关键词：

冷焊修复;激光沉积修复;ZL114A;显微组织;显微硬度;拉伸性能;

中图分类号： TG146.21

作者简介：王维(1957-),男,辽宁鞍山人,博士,教授,研究方向:激光沉积制造/修复;电话:024-89723852;E-mail:Wangw1116@sau.edu.cn;

收稿日期：2018-08-23

基金：国家重点研发计划项目(2018YFB1105805,2017YFB1104002)资助;

Microstructure and Mechanical Properties of Cold-Welding Repaired and Cold-Welding+Laser Deposition Repaired ZL114A Aluminium Alloy

Wang Wei Zhang Yongze Yang Guang Li Yongjun Qin Lanyun Ren Yuhang

Key Laboratory of Fundamental Science for National Defence of Aeronautical Digital Manufacturing Process,Shenyang Aerospace University

AECC Harbin Dongan Engine Co.,Ltd.

Abstract：

ZL114 A aluminium alloy with pre-groove damage was repaired by cold-welding repaired(CWRed) and cold-welding+laser deposition repaired(CW+LDRed) technology.Microstrueture of cold-welding repaired and cold-welding+laser deposition repaired zone before and after heat treatment were analyzed,meanwhile microhardness and room temperature tensile properties of the samples were tested.Analysis showed that repaired layer and base of the cold-welding repair(CWR) or the cold-welding+laser deposition repair(CW+LDR) combined well,the repaired zone both consisted of α-Al dendrite and Al-Si eutectic,where the primary dendrites arm spacing of laser deposition repair was about 13.1 μm,and the distance between the secondary dendrites was about 6.7 μm,about three times of cold-welding.And there was a large number of rodlike branches in the eutectic Si phase.The rodlike branches of the eutectic Si phase were more developed due to the relatively high degree of subcooling in the cold-welding repaired zone.After heat treatment,the eutectic Si phase roundness of the two repaired processes had been significantly improved.And the Si particles in the cold-welding repaired area were distributed diffusely and evenly,but a small amount of coarsened eutectic Si phase appeared,and the particle size was about 1/2 of the laser deposition repair.The microhardness of the repaired area after T6 heat treatment increased significantly compared with that before heat treatment,and the specimens which the tensile test was carried out at room temperature were all fractured at the base of the castings.It indicated that the strength of two repair processes was higher than that of the casting substrate.

Keyword：

cold-welding repair; laser-deposition repair; ZL114A aluminium alloy; microstructure; microhardnesss; tensile property;

Received： 2018-08-23

ZL114A铝合金综合性能良好,其中铸造性能尤为突出,广泛应用于航空航天和国防工业的重要零部件中 ^[1] 。但零件在生产加工和服役过程中往往因为磕碰或磨损等原因而影响正常工作,造成巨大的经济损失。而传统的修复方法如MIG焊接、等离子弧焊、电镀、热喷涂等,其修复后通常伴有接头软化、气孔、裂纹等缺陷 ^[2,3,4] 。因此,寻找一种适合的修复工艺极为重要。目前国内外已对铝合金的激光沉积修复展开了研究。激光沉积修复(laser deposition repair,LDR)集成了激光熔覆和快速原型技术,使用金属粉末作为修补原料,激光作为热源熔化金属粉末并与基体形成致密的冶金结合,它具有修复效率高,修复质量好,结合强度高等优点 ^[5,6,7] 。钦兰云等 ^[8] 采用激光沉积修复ZL114A铝合金,并分析了修复试件热处理前后的组织和力学性能。Liu等 ^[9] 使用Al-12%Si粉末激光熔覆修复航空用7075铝合金,并测试了修复后试样的力学性能。薛蕾等 ^[10] 利用激光成形修复ZL104铝合金,并对修复后试样的组织和力学性能进行分析。

但激光沉积修复针对一些特殊位置的待修复区,如薄壁结构和因尺寸等因素限制无法对损伤部位进行进一步规则化处理的区域,修复过程中将导致零件的直接熔穿或因送粉头的干涉导致缺陷位置扫不上光而无法完成修复。冷焊修复(cold welding repair,CWR)作为金属零件表面的一种新型修复技术,它具有精度高、热影响区小、柔性化程度高等特点 ^[11] 。其原理是利用钨极以断续电弧的形式在几秒的时间内以几十毫秒的超短时间放电。虽然冷焊修复属于手工点焊,修复效率和修复区高度并不是很高,但可用于激光沉积修复前的过渡修复,完成薄壁位置的加厚和缺陷位置的桥接等,从而保证激光沉积修复的顺利进行。目前,关于冷焊修复的研究相对较少,尤其是铝合金。初宏超等 ^[12] 利用冷焊修补技术对T6热处理态ZL101A预制缺口板件进行修复,分析了修复后组织特性,并对修复区强度低于母材的原因进行了阐述。孙晓峰等 ^[13] 利用类激光堆焊技术将镍基合金焊丝修补于3C钢损伤部位,并对修复后试样的力学性能进行分析。徐庆钟等 ^[14] 对发动机缸体材料HT250表面缺陷进行冷焊修复,并分析了不同工艺参数下修复后组织和性能。

本文利用冷焊与冷焊激光复合两种修复工艺修复ZL114A铝合金试样,对热处理前后修复试样的显微组织和力学性能进行对比分析,并对产生差异的原因进行了深入研究,为冷焊与激光沉积复合修复ZL1 14A铝合金提供参考。

1 实验

冷焊和激光沉积修复原理图如图1所示。本试验是在北极星9188G7型超越激光冷焊机和沈阳航空航天大学研发的LDM-800系统上完成的。

实验基板采用ZL114A铝合金铸件,直径1.6mm的ZL114A铝合金焊丝作为焊接材料,熔覆材料为真空等离子旋转电极法制备的ZL114A铝合金球形粉末(40～120μm),化学成分如表1所示。根据ZL114A铝合金零件的气孔、磨损和裂纹等常见缺陷的尺寸特征,统一规则化为槽状,具体尺寸如图2所示。图3为修复后样品取拉伸板尺寸图。板厚4 mm,其中修复区占总高度的50%,槽顶和槽底分别宽12 mm和6 mm,坡口角度45°。

图1 激光沉积与冷焊修复原理图

Fig.1 Schematic diagram of LDR and CWR(a) LDR;(b) CWR

表1 ZL114A铝合金焊丝和粉末成分下载原图

Table 1 Compositions of ZL114A aluminium alloy wire and power (%,mass fraction)

冷焊修复实验的焊接方向如图4中的箭头所示,在Y方向单向多层焊接。使用的工艺参数为:焊接电流200 A,焊接时间220 ms,氩气流量5 L·min^-1。激光沉积修复实验沿修复区域采用短边往复扫描方式,如图4中箭头所示,使用的工艺参数为:激光功率1800～2200 W,扫描速度5～7mm·s^-1,送粉速度2～4 g·min^-1。在实验之前,用砂纸打磨待修复的ZL114A基材表面以去除表面氧化物层,然后用丙酮清洗并干燥使用。T6热处理工艺参数见表2。将制备的金相试样用HF+H₂O(体积比1:10)腐蚀10～15 s (深腐蚀时间40min)。用金相显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察和分析金相试样和断裂组织;使用X射线衍射仪(XRD)分析相的组成;采用Image-Pro Plus图像软件测量相的大小;用HVS-1000A显微硬度测试仪和英国INSTRON-5928电子万能试验机分别测量样品的显微硬度和室温拉伸性能。

图2 冷焊与冷焊激光复合修复预制槽损伤ZL114A铝合金拉伸试样取样图

Fig.2 Schematic of CWRed and CW+LDRed ZL114A tensile specimen with pre-damage (mm)

图3 冷焊与冷焊激光复合修复ZL114A铝合金拉伸板试样尺寸图

Fig.3 Dimensions of tensile specimen of CWRed and CW+LDRed ZL114A aluminium alloy (mm)

图4 ZL114A铝合金修复试样

Fig.4 Repaired sample of ZL114A aluminium alloy

表2 ZL114A铝合金T6热处理制度表下载原图

Table 2 T6 heat treatment for ZL114A aluminium alloy

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图5为冷焊和激光沉积修复区热处理前后的组织试样X射线衍射结果,修复区组织都只含有Al相和Si相,无其他相生成。同时,发现在热处理后样品的Al相衍射峰都略微向左移动。主要原因是溶解在α-Al中的过饱和Si在T6热处理过程中逐渐析出,从而减少了由原始Si原子取代Al原子引起的晶格畸变。而原子半径Al大于Si,导致衍射峰向左移动。

图5 冷焊和激光修复区XRD分析结果

Fig.5 XRD patterns for CWRed and LDRed area

2.2 组织分析

图6为冷焊修复(图6(a))与冷焊激光复合修复(图6(b))ZL114A铝合金试样沿XOZ截面的宏观组织。从图6中可以看出无论是修复区与基材还是激光沉积与冷焊的复合修复区都能够形成致密的冶金结合而没有出现裂纹和夹杂等缺陷。冷焊修复区组织出现断续似鱼鳞纹的白亮层带结构,而激光沉积修复区则出现一条条的连续白亮条带。主要因为冷焊属于手工点焊,每次焊接一个点,而激光沉积属于连续的扫描方式。两种工艺中均有少量气孔产生,其中冷焊修复气孔直径约为15.5μm,激光沉积修复的气孔直径约为45.6μm,这是因为实验过程中材料或保护气体中携带了少许水分受熔池热作用气化,由于冷却速度快,残留在熔池中的气体导致形成了气孔缺陷。

图6 修复试样XOZ截面的显微组织

Fig.6 Microstructure of the repaired sample in XOZ section(a) CWR;(b) CW+LDR

图7显示了冷焊和冷焊激光复合修复试样XOZ截面不同区域的显微照片。由图7(a,b)可见,冷焊和激光沉积修复区组织均由典型的定向凝固柱状α-Al树枝晶和枝晶间的Al-Si共晶相组成。不同之处在于冷焊修复区在修复层中部开始出现柱状晶向等轴晶的转变,而激光沉积区出现在顶部区域。并且经测量激光沉积区一次枝晶间距13.1μm,二次枝晶间距6.7μm,而冷焊修复区一次枝晶间距4.1μm,二次枝晶间距2.2μm。凝固过程中出现柱状晶并逐渐向等轴晶转变的原因可以归结为两个重要的凝固参数,既温度梯度G和凝固速度R ^[15] 。因修复过程中基材的导热系数要远远大于空气的,所以凝固过程由基材底部开始由下至上逐步完成,随着温度梯度随逐渐降低,凝固速度将逐渐增加。在凝固开始时,G/R值较大,易形成柱状晶。随着比率缓慢降低,发生柱状晶向等轴晶的转变。激光沉积区枝晶转变相对滞后并且粗化,主要是两种工艺的冷却速率(T=G×R)差异造成的,冷却速率越大,凝固时间越短,枝晶臂间距越细小,从而起到细化组织的作用 ^[15,16] 。图7(c～3)分别为图7(b)中位置A～C的Si相深腐蚀照片,冷焊和激光沉积修复区Si相都具有大量棒状分支,它有效的降低了片状Si相对于基体造成的割裂作用,提高了力学性能。同时对比发现,冷焊修复区Si相棒状分枝更为发达,主要是因为冷焊修复区具有更大的过冷度,对Si相(111)晶面[211]方向的择优生长限制更大,小平面特征削弱更明显 ^[17] 。图7 (d)为层带处Si相深腐蚀照片,受熔池热作用的影响,修复层顶部的共晶相首先熔化,α-Al部分熔化,过热条件下脱溶析出的Si相聚集并呈现出明显的颗粒化 ^[18] 。

图7 修复试样不同区域显微组织形貌

Fig.7 Microstructure morphologies of different regions of repaired sample

(a) CWR;(b) CW+LDR;(c) SEM image of Si phase in LDR;(d) SEM image of Si phase in layer band;(e) SEM image of Si phase in CWR

冷焊与冷焊激光复合修复试样热处理组织对比如图8所示,两种修复工艺在经历热处理后,共晶Si相都经历了熔断和熔断后的粒化过程,圆整度得到显著的提高。其中冷焊修复区共晶Si粒径约1.45μm,而激光沉积修复区Si颗粒粒径约2.88μm。对比发现相比于激光沉积修复区,冷焊修复区共晶Si相总体上分布的更加细小弥散,Si颗粒粒径相对较小且数量较多主要是因为冷焊修复区相对于激光沉积修复区枝晶尺寸相对较小,枝晶主干长度较短,分枝较多。而共晶Si相在T6热处理过程中通常在分枝或凹槽等自由能相对较大的位置首先熔断并球化长大,这就使得冷焊修复区Si颗粒在α-Al基体中的分布密度较大的同时粒径却相对较小。而激光沉积修复区枝晶尺寸相对较大,往往主干经一次熔断后仍较长还需经过再次熔断,导致粒化滞后的同时Si颗粒也较大。同时使冷焊修复区的热处理状态超前于激光沉积修复区,可以观察到热处理后的冷焊修复区出现了少量相对粗大的无规则的共晶Si颗粒,主要因为Si相在固溶热处理时随着时间的增长会经历熔断球化和长大粗化两个过程 ^[19] 。如图8(a)中的箭头所示,可以观察到粗化的Si相与细小的Si相接合在一起,根据Ostwald熟化理论,固溶时间逐渐增加,球化后相对较大的Si颗粒将吞并周围较小的Si颗粒,最终导致了共晶Si颗粒粗化,圆整度也有所降低 ^[20,21] 。

图8 修复试样热处理态显微组织

Fig.8 Microstructure of repaired sample after heat treatment(a) CWR;(b) CW+LDR

2.3 显微硬度

图9为冷焊与冷焊激光复合修复试样沉积态和热处理态XOZ截面的显微硬度分布曲线,1 mm处为冷焊与激光结合区的分界线。冷焊修复区热处理前后硬度分别为HV 109.0和HV 145.5,相比提高了33.6%,而激光沉积区分别为HV 84.7和HV 156.1,提高了84.3%,如图9(b)所示。两种修复工艺的显微硬度都高于基材,这主要是因为基材组织相对过于粗大。对比发现,热处理前冷焊修复区硬度明显高于激光沉积修复区,主要原因在于冷焊修复工艺具有更高的过冷度,形成的组织更为细小,细晶强化效果更明显。其次通过能谱分析(EDS)的对比发现,冷焊修复区Al枝晶中Si的质量分数为4.71%,而激光沉积修复区仅为1.49%,虽然都处于过饱和,但Al基体中的Si原子引起的晶格畸变会增加位错运动的阻力,使滑移不宜进行,硬度显著提高,而冷焊修复区Al枝晶中的Si含量更高,固溶强化效果更佳,使得硬度要高于激光沉积修复区。同时发现两种工艺在经历T6热处理后,激光沉积修复区硬度反而略高于冷焊修复区,通过对热处理后的组织分析可知,冷焊修复区固溶时间过长,脱溶析出的Si相聚集并开始长大粗化,对硬度的影响程度超过了固溶强化的效果,导致硬度反而低于了激光沉积修复区。

图9 修复试样的热处理前后XOZ截面显微硬度分布曲线

Fig.9 Microhardness distribution curves of repaired sample be fore and after heat treatment in XOZ section(a) CWR;(b) CW+LDR

2.4 室温拉伸性能

对修复后试样进行室温拉伸实验,图10为拉伸后试样。圆圈标记处为拉伸试样的断裂位置,热处理前后修复件拉伸试样均断裂于基材区,说明两种工艺的结合强度都高于所修复的铸造基材。热处理前的平均抗拉强度为128.25 MPa,断后平均伸长率约为1.33%,热处理后的平均抗拉强度为240.35 MPa,达到了热处理铸造基材标准的75%左右,断后伸长率约1.41%,所得结果与所修复的铸造基材强度相当,如图11所示。热处理后拉伸试件断口微观形貌如图12所示,可见断口存在大量的解理台阶和河流花样特征(图12(a)),同时,观察拉伸后断口布满反光的亮点,主要是因为断面呈现结晶状,具有较多反光强烈的小平面造成的,由此判断其断裂机制属于典型的解理脆性断裂 ^[22] 。往往铸造缺陷的存在是使得强度降低的主要原因,裂纹首先在缺陷处萌生和长大,如图12(b)中的缩陷和枝晶形貌。

图1 0 ZL114 A铝合金修复后拉伸试样

Fig.10 Tensile samples of cold-welding repair

图1 1 修复试样热处理前后力学性能

Fig.11 Mechanical properties of repaired sample before and after heat treatment

图1 2 ZL114A铝合金修复试样拉伸断口形貌

Fig.12 SEM images of tensile fracture of repaired ZL114A alu minium alloy

(a) Micro fracture;(b) Shrinkage pore

3 结论

1.X射线衍射结果表明,冷焊修复区与激光沉积修复区均仅含有Al相和Si相,没有形成其他相。修复区与基材无熔合不良等缺陷产生。修复区均由具有外延生长的柱状树枝晶和枝晶间共晶相组成,并出现柱状晶向等轴晶的转变,共晶Si相具有大量棒状分枝。由于冷却速率的差异,激光沉积修复区一次枝晶间距13.1μm,二次枝晶间距6.7μm,约冷焊修复区的3倍。

2.热处理后修复区中共晶Si相长宽比都得到明显改善,其中激光沉积修复区中Si颗粒粒径约2.88μm,而冷焊修复区约1.45μm。冷焊修复区共晶Si相分布的更为均匀,但出现了少量长大粗化的Si颗粒。

3.热处理前冷焊和激光沉积修复区的硬度均高于基材区,热处理后较热处理前分别提高了33.6%和84.3%,修复后试件的平均抗拉强度达到了铸件标准的75%左右。