简介概要

激光熔覆工艺参数对TiC_p/Al表层复合材料的影响

来源期刊：中国有色金属学报2001年第6期

论文作者：马乃恒梁工英苏俊义

文章页码：1041 - 1044

关键词：激光熔覆；原位合成； TiC_p/Al基复合材料；界面结合；组织均匀性

Key words：laser cladding; in-situ synthesis; TiC_p/Al composite; interface bonding; uniformity of microstructure

摘要：研究了激光功率、扫描速度对原位合成TiC_p/Al表层复合材料与基底的界面结合和熔覆层组织均匀性的影响。通过调整工艺参数，获得了有良好冶金结合的界面和TiC颗粒分布均匀的熔覆组织。结果表明：在激光功率一定时，过低的扫描速度将使激光束前端一定距离内的基底材料在表面熔化前被加热时间太长，以致表面氧化；而过高的扫描速度会使靠近界面处的粉料中合成反应不能充分完成而残留一些粉末；这两种情况都影响了熔覆层和基底的结合。随着激光输入比能的降低，熔覆组织的均匀性降低，这是由于合成反应未充分完成所致。当激光功率为2200～2500W，扫描速度为7～10mm/s时，在ZL104合金表面可获得组织均匀、界面结合良好的TiC_p/Al复合材料熔覆层。

Abstract: The influence of laser power and scanning velocity on interface bonding between clad layer and substrate and uniformity of microstructure in composite surface layer was studied. By means of adjusting these parameters，the excellent interface bonding and uniform microstructure can be obtained. The experiment results show that when the laser power is in a certain value，the lower scanning velocity leads the surface of substrate ahead of laser beam to maintain a longer time at high temperature，so that an oxide film is formed. But，if the scanning velocity is too fast，the synthetic reaction in powder materials near the substrate will be not enough. Either of these two situations will deteriorate the interface bonding. The experiment results also show that the lower the laser input specific energy is，the worse the uniformity of microstructure will be. This phenomenon is caused by insufficient synthetic reaction in powder materials. When the laser power is 2200～2500W，the scanning velocity is 7～10mm/s, an excellent TiC_p/Al composite surface layer can be obtained on ZL104Alalloy.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.06.018

激光熔覆工艺参数对TiC_p/Al表层复合材料的影响

马乃恒梁工英苏俊义

西安交通大学机械工程学院

西安交通大学机械工程学院西安710049

摘要：

研究了激光功率、扫描速度对原位合成TiCp/Al表层复合材料与基底的界面结合和熔覆层组织均匀性的影响。通过调整工艺参数 , 获得了有良好冶金结合的界面和TiC颗粒分布均匀的熔覆组织。结果表明 :在激光功率一定时 , 过低的扫描速度将使激光束前端一定距离内的基底材料在表面熔化前被加热时间太长 , 以致表面氧化 ;而过高的扫描速度会使靠近界面处的粉料中合成反应不能充分完成而残留一些粉末 ;这两种情况都影响了熔覆层和基底的结合。随着激光输入比能的降低 , 熔覆组织的均匀性降低 , 这是由于合成反应未充分完成所致。当激光功率为 2 2 0 0～ 2 5 0 0W , 扫描速度为 7～ 10mm/s时 , 在ZL10 4合金表面可获得组织均匀、界面结合良好的TiCp/Al复合材料熔覆层。

关键词：

激光熔覆;原位合成;TiCp/Al基复合材料;界面结合;组织均匀性;

中图分类号： TG174.4

收稿日期：2001-01-16

基金：国家自然科学基金资助项目 ( 5 98710 38);西安交通大学校基金资助项目;

Influence of technological parameters on interface bonding and structure uniformity of in-situ synthesis TiC_p/Al composites in laser cladding process

Abstract：

The influence of laser power and scanning velocity on interface bonding between clad layer and substrate and uniformity of microstructure in composite surface layer was studied. By means of adjusting these parameters, the excellent interface bonding and uniform microstructure can be obtained. The experiment results show that when the laser power is in a certain value, the lower scanning velocity leads the surface of substrate ahead of laser beam to maintain a longer time at high temperature, so that an oxide film is formed. But, if the scanning velocity is too fast, the synthetic reaction in powder materials near the substrate will be not enough. Either of these two situations will deteriorate the interface bonding. The experiment results also show that the lower the laser input specific energy is, the worse the uniformity of microstructure will be. This phenomenon is caused by insufficient synthetic reaction in powder materials. When the laser power is 2?200～2?500?W, the scanning velocity is 7～10?mm/s, an excellent TiC p/Al composite surface layer can be obtained on ZL104Al alloy.

Keyword：

laser cladding; in situ synthesis; TiC p/Al composite; interface bonding; uniformity of microstructure;

Received： 2001-01-16

在铝合金表面用激光熔覆一层陶瓷颗粒增强的复合材料层是改善其表面性能的有效途径之一。关于外加陶瓷颗粒形成复合材料熔覆层已有许多报导 ^[1,2,3] 。由于外加陶瓷颗粒尺寸较大, 且存在界面污染及界面反应, 直接影响了熔覆层的质量。

Al-Ti-C体系原位合成整体复合材料的研究已获得很大的进展 ^[4,5,6,7] , 近年来, 利用激光在材料表面原位合成复合材料亦有研究 ^[8,9,10] 。文献 [ 11] 报导在铸造铝合金表面, 利用激光熔覆原位合成的方法形成一层TiC_p/Al复合材料, 由于TiC颗粒是在基体Al中原位反应生成, 颗粒细小, 均匀, 亦不存在界面污染等问题。

本研究工作是在文献 [ 11] 的基础上, 系统地研究了工艺参数对熔覆层与基底的界面结合和熔覆组织均匀性的影响, 以便控制原位合成TiC_p/Al表层复合材料的质量。

1 实验方法

基底材料为ZL104合金, 基底试样被加工成尺寸为200 mm×40 mm×10 mm的矩形板条。试样表面经喷砂和清洗后, 涂刷厚度为1.0 mm的Al-Ti-C粉末涂层。

涂层材料选用74 μm的钛粉、铝粉和活性炭粉, 经搅拌式高能球磨机在Ar气保护下混制20 h后, 加入经丙酮稀释的有机粘结剂 (粘结剂用量为粉料的4%) 后涂刷在试样表面。

为了保证反应充分完成后熔覆层中不存在残留的炭粉, Ti与C的原子比按1.05∶1设计。并希望在熔覆层中能含有30% (体积分数) 的TiC颗粒。涂层粉料成分配比见表1。

表1 Al-Ti-C涂层粉末成分配比 (摩尔分数, %)

Table 1 Chemical compositions of Al-Ti-C powder

Al	Ti	C
62.89	18.98	18.13

激光熔覆工艺试验是在5 kW CO₂横流式连续激光器上进行, 激光斑束直径为2.5 mm, 试样表面用Ar气保护。工艺实验方案见表2。

将经激光熔覆后的试样在与扫描方向垂直的面上磨制金相试样, 试样经腐蚀后在NEOPHT21光学显微镜 (OM) 和S2700扫描电子显微镜 (SEM) 下观察不同工艺参数对TiC_p/Al复合材料层的熔覆界面及组织均匀性的影响。

2 结果及分析

2.1 工艺参数对界面结合的影响

表2 实验中所选用的工艺参数

Table 2 Selected technological parameters in experiments

Laser power/W	Scanning velocity/ (mm·s^-1)
2 200	5	7	10	15	20	25	30
2 500	5	7	10	15	20	25	30
3 000	7	10	15	20	25	30	35
3 500	7	10	15	20	25	30	35

表3所示为在不同激光工艺参数下, 复合材料层与基底的界面结合程度。结果表明: 当激光功率为2 200～2 500 W时, 扫描速度控制在7～10 mm/s; 当激光功率为3 000～3 500 W时, 扫描速度控制在20～30 mm/s, 熔覆层界面可获得良好的冶金结合。要获得良好的界面结合, 随着激光功率的增加, 扫描速度应相应增加。在激光功率一定的情况下, 过低的扫描速度会导致激光束前端一定距离内的基底材料在表面熔化以前被加热时间较长以致表面氧化, 基底材料表面存在氧化物, 必然会影响熔覆层界面的结合。过高的扫描速度会使得靠近界面处的粉料中合成反应不能充分完成, 还残留一些粉末, 从而影响界面结合。

表3 复合材料层与基底界面的结合程度

Table 3 Degree of interface connection between composite layer and substrate

Scanning velocity / (mm·s^-1)	Laser power/W
Scanning velocity / (mm·s^-1)	2 200	2 500	3 000	3 500
5	×	×	×	×
7	●	●	×	×
10	●	●	×	×
15	×	●	×	×
20	×	×	●	●
30	×	×	●	●

●—Good interface; ×—Bad interface

2.2 组织均匀性

当激光熔覆工艺不合适时, 熔覆层组织中会出现不均匀现象, 在光学显微镜下出现黑色和白色相间的组织, 如图1所示。

用SEM观察时, 黑色区域为TiC颗粒分布均匀的区域; 而白色区域中TiC颗粒很少, 几乎全部由铝和一些针状组织构成, 如图2所示。对图2中的白色区进行微区能谱分析, 其成分 (质量分数) 为: Al 93.40%, Ti 6.03%。鉴于含有相当数量的Ti, 估计图2中的针状组织为Al₃Ti。为了量化激光工艺对组织均匀性的影响, 用光镜下在熔覆层中所观察到的黑色区域 (TiC颗粒分布均匀的区域) 占整个熔覆层区域的面积百分数φ来反映组织均匀性, 试验中采用网格法计算面积。

图1 输入比能为56 J/mm2时熔覆层组织的光镜照片

Fig.1 Optical photo of microstructure of clad layer when input specific energy is 56 J/mm²

图2 输入比能为56 J/mm2时的熔覆层组织 (SEM)

Fig.2 Microstructure of white zone in clad layer when input specific energy is 56 J/mm²

激光输入比能是指在试样表面的单位面积上所作用的能量, 是与激光功率、激光斑束直径和扫描速度有关的一个函数, 如下式所示:

E=P/dv (1)

式中 E—输入比能, J/mm²; P—激光功率, W; v—扫描速度, mm/s; d—激光斑束直径, mm。

图3表示输入比能对组织均匀性的影响, 可见, 随着输入比能E的增加, 组织均匀性明显提高。

图4为激光输入比能为133 J/mm²时熔覆层组织的光镜照片。比较图1和图4 可以看出, 当激光输入比能较高时, 白色区域小而分散; 当激光输入比能较低时, 白色区域大而集中。

图3 输入比能与组织均匀性的关系

Fig.3 Relationship between laser input specific energy and uniformity of microstructures in clad layer

图4 输入比能为133 J/mm2时熔覆层组织的光镜照片

Fig.4 Optical photo of microstructure of clad layer when input specific energy is 133 J/mm²

在Al-Ti-C体系的合成反应过程中, Al₃Ti是TiC合成过程中的中间产物 ^[6,13] , Al₃Ti针状相的出现, 反映了TiC合成反应没有充分完成。

除通过机械活化的方法降低反应激活能以提高合成反应的活性外 ^[13] , 提供足够能量使粉料在较高温度下保持足够时间, 也是保证反应充分完成的重要条件。文献 [ 14] 在TiAl金属间化合物表面涂覆石墨并通过激光熔覆进行表面合成TiC时发现, 提高扫描速度会使得熔覆层变薄, 在激光功率为2 000 W, 扫描速度为20 mm/s时, 几乎没有熔覆层。也就是说, 随着激光输入比能的降低, 合成反应产物的数量在不断减少。激光输入比能对合成反应的充分完成起着至关重要的作用, 在输入比能较低时, 不能提供足够的能量, 使得TiC合成反应不能充分完成, 从而出现较多含有Al₃Ti的白色区域。

2.3 工艺参数的调试

从2.1中实验结果已经知道, 要保证界面具有良好的冶金结合, 在激光功率为2 200～2 500 W时, 扫描速度应控制在7～10 mm/s范围内; 在激光功率为3 000～3 500 W时, 扫描速度应控制在20～30 mm/s。另外, 从图3可以看出, 要保证黑色区域的百分数大于85%, 输入比能必须大于100 J/mm。根据图3的回归函数, 则应采用如下对应的工艺参数:

结合2.1的分析结果可以看出, 在激光功率为3 000～3 500 W时, 如果要保证组织均匀性应满足的条件, 则会带来界面结合的不良; 而选用激光功率为2 200～2 500 W, 它不但可满足组织均匀性的工艺要求, 同时也可获得良好界面结合。综合以上分析, 合适的激光熔覆工艺应为: 激光功率2 200～2 500 W; 扫描速度7～10 mm/s。

图5所示为采用激光功率2 500 W、扫描速度7.5 mm/s时所获得的熔覆层组织及界面情况。可以看出, 在此工艺条件下, 不仅可获得很好的界面结合, 而且组织亦比较均匀。

图5 熔覆层组织及界面情况 (SEM)

Fig.5 Microstructure of clad layer and interface bonding between clad layer and substrate when laser power is 2 500 W and scanning velocity is 7.5 mm/s (input specific energy is 133 J·mm^-2) (SEM)