激光沉积修复铝合金铸件研究

1、沈阳航空航天大学毕业设计（论文）毕业设计论文沈阳航空航天大学激光沉积修复铝合金铸件研究学 院机电工程学院专 业机械电子工程班 级34060403学 号2013040604110学 生曾闯指导导师钦兰云负责教师沈阳航空航天大学2016年6月摘要激光沉积修复技术是在激光熔覆和快速成形基础上发展的。以损伤零件为基体，通过选择适当的工艺参数修复零件，在零件性能可以被保证时，对待修复零件的力学性能及几何性能进行恢复，让零件可以再次被使用。修复基材及沉积修复粉末均为ZL114A铝合金，通过激光单道单层实验和激光单道多层实验来对比修复效果，最终确定较优的工艺参数。选取较优工艺参数来进行激光沉积修复，先把待修

2、复试样进行规则化，而后在激光沉积修复系统里进行修复。修复后制成金相试样，便于进行性能分析。激光单道单层实验的较优工艺参数分别是：激光功率2000W，扫描速度5mm/s，送粉率2g/min，载气流量2.2L/min。激光多道单层实验较优工艺参数分别是：激光功率2000W，扫描速度5mm/s，送粉率2g/min，扫描间距2mm，搭接率35%。分析ZL114A沉积修复过程中出现的气孔缺陷、熔合不良等，寻找产生缺陷的原因。分析单道单层实验的熔宽熔高，研究不同工艺参数对熔宽熔高的影响。通过测试修复后试样横截面的微观硬度，对比基材区、热影响区及修复区的硬度值，研究修复对ZL114A硬度值的影响。关键词：Z

3、L114A；激光沉积修复技术；工艺参数；性能分析1AbstractLaser cladding and rapid prototyping are the key technologies of laser deposition repair. Take the parts to be repaired as substrate then repair it by selecting opeimal process parameters as properties can be guaranteed. Components can be used again when their mechan

4、ical properties and geometrical properties. The substrate and the powder are both ZL114A aluminum alloy. The effect of repair was compared by single-track single-layer experiments and multi-track single-layer experiments, and ultimately the optimal process parameters were determind. The optimal proc

5、ess parameters were selected to repair the laser deposition, first and the samples to be repaired were normalized,which were repaired in the laser deposition system. Metallographic examination of the repaired specimens is made to test the mechanical properties and mechanical properties.The optimal t

6、echnological parameters of single-track single-layer are laser power 2000W, scanning speed 5mm/s, powder feed rate 20r/min, carrier gas flow rate 2.2L/min. The optimal technological parameters of multi-track single-layer are laser power 2000W, scanning speed 5mm/s, powder feed rate 2g/min, scanning

7、space 2mm, lap ratio 35%.To analyze the defects of blow hole defect and ill bording in the process of ZL114A deposition, the reasons for the defects were found out. The effects of different process parameters on the melting width of single-track single-layer experiments are analyzed. The micro hardn

8、ess of the cross section of the specimen was tested, and the effect of the repair on the hardness value of ZL114A was studied by comparing the hardness value of the substrate, the beat-affected zone and the repair zone.Keywords: ZL114A；Laser deposition technique Repair；Process parameters；Performance

9、 AnalysisIII目 录1 绪论11.1 课题来源及研究11.1.1 铸造铝合金11.1.2 铝合金铸件缺陷31.2 激光沉积修复技术71.2.1 激光熔覆原理及分类71.2.2 激光熔覆工艺特点81.2.3 激光熔覆参数及工艺流程91.2.4 激光沉积修复技术主要特点91.3 铝合金的其他修复工艺91.3.1 氩弧焊焊接铝合金91.3.2 冷金属过渡焊接技术101.4 激光沉积修复技术在国内外发展现状101.4.1 国内发展现状101.4.2 国外发展现状101.5 研究内容112 激光沉积修复设备和材料122.1 实验材料122.1.1 修复基材122.1.2 沉积修复粉末122.2

10、 实验设备132.2.1 送粉系统132.2.2 激光器152.2.3 惰性气体加工室152.2.4 数控工作台162.2.5 控制系统162.2.6金相试样制备及检测设备172.2.7 工艺规划183 ZL114A激光沉积修复实验213.1 单道单层实验213.1.1 参数选择213.1.2 制作金相223.1.3 分析组织223.2 多道单层实验233.2.1 参数选择233.2.2 制作金相243.2.3 分析组织243.3 气孔与熔合不良243.4 分析熔宽熔高264 力学性能分析284.1 硬度测试284.2 XRD测成分295 结论30参考文献31致谢35附录I36V1 绪论1.1

11、 课题来源及研究1.1.1 铸造铝合金铸造铝合金作为传统金属的材料，其具有如下多种特点：（1）密度小，（2）比强度高，（3）良好的抗腐蚀性和铸造工艺性，（4）成型铸造的方法多。在多个领域已经广泛应用，例如航天航空领域的飞机机翼、发动机叶片、仪表、箱体、缸体等，在汽车和机械领域也有应用,还可以使用在装饰装修方面。工业现在的迅速发展，铸件的性能要求越来越高，特别是可靠性和综合性能，铸造铝合金的应用受限制是因为强韧性差的缘故。铸造铝合金发展势头良好，因为具有以下特性：（1）组织各向同性，（2）价格低，（3）可以获得特殊组织，（4）可以造出外观复杂的零件，（5）生产规模可大可小等。它是未来铝合金发展的

12、一个方向。与铸铁比, 铸铝的熔炼质量较多的问题, 较难控制熔炼操作工序,铸造工艺与凝固规律都较复杂, 故产生铸件缺陷的可能性会增大、废品率也较高 ,生产成本相应变高 。铸造铝合金主要可以分成四类，每一类都有自己的特点，这四类分别是：Al-Si合金系、Al-Cu合金系、Al-Mg合金系、Al-Zn合金系。各合金系的性能、成分含量、应用如表1.1所示：表1.1 各铝合金系性能及成分合金系牌号成分含量性能应用Al-SiZL1XXSi:4%22%铸造性能优良，变质、热处理后能提高力学性能、耐腐蚀性、物理性能，可切削加工性中等。品种最多，用途最广。Al-CuZL2XXCu:3%11%其他元素加入后大幅度

13、提高室温和高温力学性能，强度最大的铸造合金之一，室温力学性能较差，铸造性能和耐腐蚀性较差，可切削加工性、焊接性良好。航空产品，做可承受大载荷的结构件、耐热零件Al-MgZL3XXMg:4%11%密度小，耐腐蚀性优异,力学性能优良,可切削加工性良好,加工表面平整美观。耐腐蚀合金,装饰用合金。Al-ZnZL4XXZn:>10%当Zn>10%时能提高合金强度，密度大，耐腐蚀性差，易产生热裂，自然实效倾向。压铸仪表壳体类零件。ZL114A合金属于Al-Si系合金，在ZL101A铝合金上增加Mg的含量得到的，属于Al-Si-Mg系三元合金，加入Mg使该合金的强度提高。ZL114A的强度高，其

14、韧性、流动性、抗热裂性、气密性、致密性都良好，还具有可焊性等。能铸造形状复杂、承载能力要求大的高强度铸件，适用于各种铸造方法铸造。在航天领域，大多数大型复杂的壳体零件整体铸件都使用ZL114A，这与导弹武器、运载发展方向有关，追求质量轻、成本低、速度快，这类零件有复杂的结构，较大的尺寸，还存在壁厚不均。对于较大尺寸、有复杂结构、壁厚度差值较大的零件，要求保证铸件整体性能一致性、稳定性非常困难。根据零件的不同使用要求，对力学性能要求也不同，评价力学性能的参数有抗拉强度b、屈服强度0.2、伸长率5。承力结构件对屈服强度0.2和抗拉强度b有较高的要求，某些功能零件对伸长率5有较高要求。对伸长率影响的

15、因素有：变质、熔体细化、冷却条件，伸长率的范围控制严格，过低影响承载力，过高影响最终爆破性能。对ZL114A进行细化变质处理，研究不同因素对其的影响。为整体铸件的整体力学性能提供工艺规范，保证其一致性、可靠性、稳定性。促进ZL114A更广泛应用在航空航天领域，为武器的快速、更优发展方向打下基础。研究ZL114A合金中加入不同含量的元素，影响合金力学性能总结如下：（1）合金中Si含量增加较多时，会较大程度提高铸件的抗拉强度b和屈服强度0.2，但会大大降低伸长率5；（2）合金中增加少量Mg元素，抗拉强度b不会受到多大影响，但屈服强度0.2、硬度能够明显提高，伸长率5会被降低；（3）合金中添加微量C

16、u元素，抗拉强度b及伸长率5不会受到多少影响，但屈服强度0.2得到提高；（4）合金中Mn可以阻止再结晶粗大化，细化晶粒，故能提高合金强度，还能提高再结晶温度，Mn加入量过大时易在冷凝过程中产生晶内偏析，关键在于合理加入Mn的量；（5）合金中Zn能提高合金的塑性，同时Cu的溶解度得到提高，Cu的溶解速率也增大，当Zn含量为1%时能够全部固溶在铝基体里，形成看不见的金相组织；（6）合金中Ti能细化晶粒，能够使合金强度、抗疲劳性、韧性都有所提高；（7）合金中Ni与Al形成NiAl3相，耐热性、尺寸稳定性都被提高；（8）合金中稀土元素加入微量时，合金流动性、气密性、高温强度都能被提高，气孔率、常温力学

17、性能、延伸率都会降低。Al-Si二元相图如图1.1所示，Al-Si共晶点为12.5%Si。图1.1 Al-Si二元相图ZL114A的化学成分如表1.2所示：表1.2ZL114A 铝合金的化学成分(质量分数，%)SiMgFeTiMnAl7.20.540.110.12<0.1余量1.1.2 铝合金铸件缺陷铝合金缺陷可以分为铸造缺陷和修复缺陷，其中铸造缺陷主要有针孔缺陷、气孔缺陷、缩孔和缩松缺陷、氧化夹渣、热裂纹。修复缺陷主要是软化、气孔、熔合不良，由于铝合金有良好的导热性，故在修复过程中大量的热量产生使铝合金被软化，致使铝合金脆性和韧性降低。1. 针孔缺陷针孔在不同观察方式下会有不同的结果，

18、用低倍镜观察试片，看到小孔眼没有相互连接在一起；用X光照射底片，可以看到小黑点,并且还存在小黑点相互重叠；直接观察断面，得到乳白色小凹点，相互之间不连接。针孔在铸件上分布不规则，针孔缺陷严重的有铸件断面厚大处、冷却较慢区域。对针孔形成的两个主要因素：精炼温度和作用时间，精炼时间太短和精炼温度过低都会容易使铸件在断面上留下针孔,进一步发展为针孔缺陷。针孔产生的预防措施：（1）从材料入手，禁止使用已经被污染、沾染有机物、受氧化腐蚀严重的铸造铝合金材料；（2）从熔炼工艺入手，多次除气精炼；（3）从金属型涂料厚度入手，涂料厚度不能过厚；（4）从温度入手，不能让模具温度太高，对铸件厚壁部位及时激冷，可以

19、在该处镶铜块、浇水等；（5）从水分入手，严格控制水分进行砂型铸造，尽量选用干芯的。2. 气孔缺陷按照气孔形成原因、过程能分成五类：（1）侵入气孔、（2）析出气孔、（3）裹携气孔、（4）外生式反应气孔、（5）内生式反应气孔30。铸造铝合金中常见气孔缺陷为前三种。侵入气体形成的气孔一般分布在铸件的表层。气孔在铸件不同部位的分布有所不同，薄壁处的大气孔通常形状不规则，壁内气孔通常为圆形或椭圆形，皮下气孔多数情况下观察到梨形。气孔通过X光照射在底片上呈黑色。气孔对铝合金主要影响如下20：（1）铸造性能方面：随着氢含量增加，铝合金铸锭中形成气孔、疏松、小尾巴、小白点等缺陷的倾向增加，导致铸件的致密性降低

20、。（2）压力加工方面：在半成品中会出现由气孔引起的分层缺陷和第二类氢脆现象，使合金在锻造和轧制时脆性增大。（3）机械性能方面：随着氢含量增加，伴有大量气孔产生，气孔破坏了金属的连续性，减少铸件的有效承载截面积，气孔附近容易有应力集中，严重把铸件的机械性能降低。（4）在热处理性能方面：铸件中以过饱和状态和化合状态存在的气孔是促使铸徒在均匀化过程中产生二次疏松和表面起泡的重要原因。裹携气孔是在浇注时浇注系统中金属液流裹携了气泡，或在型腔内的金属液在紊流状态时将气体卷入形成气泡30。析出气孔是氢以原子态溶解于液态铝合金中，在液态合金凝固时变成分子态气相析出，从而形成气泡，产生的气孔30。气孔产生的预

21、防措施：（1）设置浇冒口系统合理，在浇注过程中液流平稳，避免卷入气体；（2）对铸件的模具及型芯进行预热，后上涂料，涂料后必须要烘透才能使用；（3）设计模具和型芯时对排气措施要考虑完整。3. 缩孔和缩松缺陷缩孔为液态铝合金在凝固收缩的过程中不能得到金属液补充所形成的空洞,缩松是微观的缩孔,两者的形成机理基本上相同10。液态铝合金凝固由外层至里层逐层进行的，金属收缩随凝固同步进行，大气压作用随结壳厚度增加而减小，当大气压大于铸件内部压力时，铸件内部成为真空，缩孔、缩松在该条件下形成。缩孔的孔壁表面不光滑，形状不太规则，缩孔经常出现在热节处、最后凝固的铸件位置。铸件中缩松弥散分布于截面，显微镜中看到

22、孔壁粗糙，存在的形式是大量细微的孔洞。铸件上晶粒比较粗大、组织不致密的区域容易有缩松, 例如内浇注口旁 、冒口根部、尺寸厚大位置、薄厚壁转接区等。存在缩松的断口通常为灰白色或浅黄色。外缩孔存在铸件表面，表现为凹陷露出；内缩孔存在铸件内部，以空穴形式表现，空穴表面粗糙，晶粒也很大。产生疏松的预防措施：（1）从冒口设置来说，保证凝固的同时还要保证补缩能力；（2）从温度入手，适当降低浇注铝合金液体的温度和金属型模具工作温度；（3）从涂层厚度来说，在厚壁减薄涂层；（4）从冷却速度入手，对不同部位设置不同冷却速度，壁越厚需要激冷能力越强，冷却速度越大。4. 裂纹缺陷铸件的裂纹通常分成冷裂纹与热裂纹，冷裂

23、纹在常温时产生，热裂纹在高温时产生。当液态合金凝固过程已经进入准固相区后，枝晶会相互接触、收缩和穿插，产生了内应力。当固相之间的内应力超过材料抗拉强度后，会有热裂纹产生。热裂纹又称晶界裂纹，因为裂纹沿着晶界，形状也不规则，断口因为被氧化变成了暗灰色。合金热裂纹倾向大小由合金性质决定，这些性质分别是：高温力学性能、收缩大小、流动性能等。常温条件下，当铸造应力大于合金抗拉强度时，会有冷裂纹产生，其断口有金属光泽，铸件中，应力集中处形成冷裂纹的几率非常大。冷裂纹是由铸件形状形变而产生的，一般很少见。产生热裂纹的预防措施：（1）从内应力入手，避免局部热量过大出现在浇注系统，从而把内应力减小；（2）从模

24、具入手，最少保证2°的型芯与模具斜度，凝固后在浇冒口才能进行抽芯开模，将金属型芯用砂芯代替可能会得到更好的效果；（3）从涂料厚度入手，用涂料薄厚控制冷却速度，让铸件的每个部位冷却一致；（4）从模型温度入手，针对铸件厚度不同选择恰当的模型温度；（5）从合金组织来说，细化晶粒能够把抗热裂能力提高；（6）从铸件结构入手，改进结构可以减少热裂倾向，因为尖角和壁厚突变可以被消除。 5. 氧化夹渣气体与金属或熔体合金发生氧化反应形成的氧化杂物，决定于金属与氧气亲和力，还和金属或合金的成分、压力、温度有关。氧气使铝发生氧化反应：Al与O2是否发生氧化反应，由熔体时Al2O3的分解压、炉气中氧气分解

25、压大小共同决定，若Al2O3的分解压<O2分解压，氧化反应可以进行；若Al2O3的分解压>O2分解压，氧化反应不能进行。夹杂范围更大，夹渣一般属于夹杂，铸造工艺中以夹渣存在有氧化物、硫化物、氮化物、硅酸盐、溶剂等。MgO、Al2O3、SiO2、FeO、ZnO、TiO2等为常见氧化物夹杂；Ni3S2、Cu2S、CeS等为常见硫化物夹杂； AlN、ZrN、TiN等为常见氮化物夹杂；NaCl、MgCl2、KCl等为常见氯化物夹杂；NaF、CaF2等为常见氟化物夹杂；硅酸盐有Al2O3·SiO2等。夹杂主要有三个来源：（1）从原材料带入；（2）熔炼时形成；（3）工艺执行不严形成。

26、氧化夹杂常为疲劳裂纹源。氧化夹渣的预防措施：（1）从熔炼工艺入手，对工艺执行严格，熔炼速度快可以把氧化减少，除去夹渣要彻底；（2）在覆盖剂下熔炼Al-Mg合金；（3）从熔炉、工具入手，两者保持清洁且需要预热，禁止氧化物污染，涂料使用后经过烘干才能使用；（4）从浇注系统设计入手，设计时必须考虑稳流、撇渣、缓冲能力，倾斜浇注系统的可以稳流，避免二次氧化发生；（6）从涂料入手，选择粘附力强的涂料，在浇注过程中粘附易剥落的东西不至于落入铸件中成为夹渣。6. 软化铝合金的容易传递热量，线性膨胀系数大，输入热量过大时容易发生翘曲变形，比如焊接过程。铝合金焊接后又将其进行热处理强化,近缝区强度存在大大削弱现

27、象。铝合金在补焊时，热裂纹等缺陷最容易出现。软化可分为两大类：（1）热处理强化铝合金接头软化、（2）非热处理强化铝合金接头软化。受焊接高温影响，在热影响区和焊缝区的性能、组织改变的软化现象，称之热处理强化铝合金接头软化。由于热影响区晶粒粗大、焊接接头局部冷做硬化效果消失的现象称之非热处理强化铝合金接头软化13。改善措施有两个方面：（1）从冶金学角度来说，改变焊丝成分，采用模拟焊接热法，对热处理方法研究，提高接头强度，对接头区的组织、性能都改善；（2）从力学角度来说，采用多种强化方法对接头性能改善，例如随焊碾压强化、时效强化、锤击强化、温差拉伸、挤压强化、局部补强等。深冷处理是一种很好改善多种材

28、料软化的方法，适用的材料可以是高钢铁金属，也可以是非铁金属或复合材料，对力学性能、使用寿命、均匀性都有所改善，对尺寸稳定、变形减小也有效果，这种方法还有操作简便、保留工件完整、没有污染、低成本的优点。可以尝试用该种方法来改善软化后的铝合金的性能。1.2 激光沉积修复技术1.2.1 激光熔覆原理及分类激光沉积修复技术包括激光熔覆技术和快速成形技术，基体为待修复损伤零件，控制激光束、送粉喷嘴、工作台在空间上按照确定的轨迹运动，把粉末堆积在待修复区，最终可得到近似缺陷部位的三维实体。在保证零件自身性能的前提下，对其几何性能、力学性能进行恢复，让该零件再次被使用。激光沉积修复系统组成如图1.1所示。试

29、件离化蒸发量与吸收激光的能量密度之间有如下关系:图 1.1 激光沉积修复系统组成（1.1）注：dt束斑面积内蒸发厚度;材料反射系数;激光脉冲持续时间;I入射激光束能量密度;IO 激光束蒸发的阈值能量密度;试件体密度;H试件汽化潜热。（1）激光熔覆原理根据不同添加材料方式，把激光熔覆工艺分为同步送料法和预置涂层法。在基材表面以某种方式预制一层金属或合金，用激光熔化涂层得到熔覆层，能与基体材料冶金结合，称预置涂层法；在熔池内，用激光束照射基材，并将待熔化材料熔融、冷却形成熔覆层，该工艺过程称同步送料法。通常用金属、陶瓷，或金属陶瓷等作为激光熔覆材料，材料形状有丝材、粉末、板材。（2）激光熔覆技术分

30、类常用激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和YAG激光器，CO2激光器输出功率为110 kW，YAG激光器输出功率500W左右。CO2激光器使用的是连续激光熔覆技术，YAG激光器使用的是脉冲激光熔覆技术。有色合金表面改性常用脉冲激光熔覆技术，铝合金激光熔覆常用连续激光熔覆技术。YAG激光器激光的波长为106m，CO2激光器的波长比YAG激光大1个数量级，CO2激光器照射铝合金容易使其变形，甚至塌陷，因此，铝合金更适合用YAG激光器熔覆。1.2.2 激光熔覆工艺特点(1)极快的冷却速度，最高达到106 K/s，凝固过程太快得到晶粒组织较细，或得到非平衡态的新相，例如非晶态、非稳相等。(2) 高能量

31、密度的激光束，在基材上作用时间短，能够将热变形和热影响区降到最小。(3)熔覆层组织细密，结合强度高，缺陷少，性能优。(4)可以精确控制熔覆层位置和尺寸。(5)改善劳动条件，噪音低，无辐射，不污染环境。(6)熔覆层稀释率一般小于5%，与基体有两种结合方式，分别是：牢固冶金结合、界面扩散结合。调整激光工艺参数，得到的良好涂层低稀释率，对稀释度熔覆成分可以控制(7)输入热量少，畸变小。(8)选择粉末无限制，尤其是将高熔点合金熔覆在低熔点金属表面。1.2.3 激光熔覆参数及工艺流程1. 激光熔覆工艺参数（1）激光功率P；（2）光斑面积D；（3）熔覆速度V。ES为比能量，三者的关系如下：（1.2）黄卫东

32、编写的激光立体成形技术一书中指出，激光熔覆参数为：（1）光斑大小，（2）激光功率，（3）扫描速度。激光功率选择时满足：第n层<第n-1层<<第3层<第2层<第1层。2. 激光熔覆工艺简易流程损伤区域裂纹排除和清洗微弧火花沉积激光熔覆表面机械修整 X 射线/渗透检查超声冲击。1.2.4 激光成形修复技术主要特点（1）可以控制激光束方向进行选区加工，修复损伤零件的任何位置；（2）可以控制激光束能量在修复过程中的热输入大小，修复后零件热变形小，热影响区小，残余应力低；（3）修复区致密冶金结合在零件本体上，修复体出现脱落、剥离的概率低；（4）通常，在力学性能上修复区略优于

33、零件本体；（5）修复区形状近似于零件缺损的形状，修复后表面质量好，再次使用零件仅需少量处理；（6）计算机控制整个修复过程，修复的零件具有可靠性高、重复性好的特点。1.3 铝合金的其他修复工艺1.3.1 氩弧焊焊接铝合金氩弧焊的热影响区可以分为三个区域，分别是：（1）半熔化区，该区域容易产生过烧；（2）不均匀固熔体区，该区域存在的粗晶粒由固熔体局部分解；（3）软化退火区，该区域存在过时效。1.3.2 冷金属过渡焊接技术 以CMT焊接技术为基础，实现极性变换，依靠负极性阶段高的焊丝熔化效率，进一步降低热输入，具有直流、交流、直流与脉冲混合、交流与脉冲混合等多种工作模式，进一步拓展焊接技术的应用范围

34、。主要技术特征：（1）采用推拉送丝方式代替连续送丝方式。（2）焊接周期中某阶段焊接电弧熄灭。CMT工艺改善铝合金接头性能有：改善焊缝组织，减少热影响区软化。1.4 激光沉积修复技术在国内外发展现状1.4.1 国内发展现状国内发展如下：西北工业大学对激光快速成型技术研究，主要对钛合金、铝合金、高温合金等进行激光修复工艺研究，黄卫东对TC4钛合金进行修复，获得优良的工艺参数，在航空铸件修复领域已经使用该技术；华中科技大学对有表面裂纹的发动机叶片进行修复，修复采用双激光束，修复后对修复区组织及相结构研究；中科院、北航、天津工业大学、北京有色金属研究所等也进行研究过。薛蕾等对ZL104铝合金进行激光成

35、形修复，并对其组织和性能分析研究。各大高校和科研机构合作研究，激光沉积制造/修复技术应用逐渐成熟，在军工、航空航天、汽车等领域得到大力推广、应用。1.4.2 国外发展现状欧盟实施了AWFORS研究计划，专门对高价值的零件进行激光修复，包括钛合金叶片盘、单晶镍基合金涡轮叶片等。英国Rolls-Royc公司将激光熔覆技术用在修复发动机零件，已经申请该项专利。General Electric公司申请了激光沉积修复专利，因为其修复了高压涡轮工作叶片的叶冠，该叶片由镍基合金制造，含有相的体积分数高。美国GE公司在1983年修复发动机叶片时应用了激光熔覆修复技术。美国Aero Met公司检修F-15战斗机

36、的钛合金机翼梁，已经将周期缩短为一周，源于激光立体成形技术应用带来的效率。瑞士洛桑理工学院对单晶叶片修复研究，材料为高温合金，也应用了激光沉积修复技术。国外应用该项技术多在发动机涡轮叶片的修复上。1.5 研究内容研究题目：激光沉积修复铝合金铸件研究进度安排：（1）查阅相关资料，了解激光沉积修复技术原理和铸铝ZL114A铸造缺陷特点；（2）熟悉激光沉积设备和操作，熟悉ZL114A材料，选择沉积修复的粉末材料；（3）设计激光修复试验方案，并进行初步试验；（4）激光沉积修复试验，性能的测试； 2 激光沉积修复设备和材料 2.1 实验材料2.1.1 修复基材本次实验选用的基材是ZL114A，ZL114

37、A的牌号是ZAlSi7Mg1A，它的机械特性如表2.1及表2.2所示：表2.1 T5状态ZL114A的机械特性铸造方法热处理状态抗拉强度b/MPa伸长率5/MPa硬度HBSSBT5290285J、JB310390表2.2 T6状态ZL114A的机械特性铸造方法热处理状态抗拉强度b/MPa屈服强度0.2/MPa伸长率5/MPa抗拉屈服强度-0.2/MPa硬度HBS抗剪切强度b/MPa旋转弯曲疲劳强度-1/MPaST63152503.02408528585J34527510.027585295110对应符号解释如表2.3及表2.4所示：表2.3 状态代号代号状态代号状态B变质处理T5淬火加不完全人

38、工实效F铸态T6淬火加完全人工实效T1铸态加人工实效T7淬火加稳定化处理T2退火T8淬火加软化处理T4淬火加自然实效T9冷热循环处理表2.4铸造方法代号代号SJRKY铸造方法砂型铸造金型铸造熔模铸造壳型铸造压力铸造注：后面加A表示优质合金。2.1.2 沉积修复粉末沉积实验粉末为ZL114A，其成分如表2.5所示。表2.5ZL114A的化学成分(质量分数，%)SiMgFeTiMnAl7.20.540.110.12<0.1余量2.2 实验设备激光沉积修复系统由CO2激光器及其光路传输系统、送粉系统、惰性气体加工室、数控工作台、工艺规划、控制系统，共六个模块，系统整体布局如图2.1所示。图2.

39、1 激光沉积修复系统2.2.1 送粉系统送粉器、喷嘴、粉末传输管道共同构成送粉系统。评价送粉系统性能分别是：成型精度、性能。影响送粉率的因素可分为粉末器自身因素、粉末因素两类。自身因素主要有送粉原理和机械结构。粉末因素主要有粉末颗粒大小、密度、颗粒形状、含水量等。影响送粉率的具体因素如表2.6所示：表2.6 影响送粉率的因素粉末器因素粉末因素送粉原理机械结构综合指标是气体流动性颗粒大小密度颗粒形状含水量气动送粉机械送粉重力送粉对气体流动性要求较高、均匀性差、粉末利用率较低均匀性好、粉末利用率较低均匀性好、粉末利用率高1、 球形粉末比形状不规则颗粒的流动性好；2、 不太细小的颗粒在低含水量时具有

40、良好流动性；3、 太小的颗粒易团聚，故流动性差。不同送粉器特性比较如表2.7所示：表2.7 不同送粉器的特性类型原理粉末湿度粉末颗粒大小/m最小送粉率/g·min-1粉末输送率粉末混合传送刮吸式气体动力学干粉>201不可控能螺旋式机械力学干、湿均可>1510可控不能转盘刮板式机械力学干粉>201可控能毛细管重力干粉>0.41不可控能消磨式气体动力学、机械力学干、湿均可>1.25不可控能转刷式摩擦力学干粉>0.651可控能常用喷嘴分别是侧向喷嘴、同轴喷嘴。侧向喷嘴可以提高粉末利用率；同轴喷嘴可以完成复杂零件的成形。同轴送粉器未来向着微量化、超细化、多

41、功能化三个方向发展。使用气载式送粉时，粉末和气体混合在喷嘴内运动，气体将粉末送至送粉通道内，后经通道壁约束，将粉末喷出，落入激光照射的熔池里。送粉性能的优劣主要取决于送粉喷嘴结构及关键参数的选择。用四个主要标准来评价送粉喷嘴性能，分别是：（1）粉末汇聚性、（2）粉末利用率、（3）粒子流束稳定性、（4）修复件质量16。刮吸式送粉器结构如图2.2所示：图2.2 刮吸式送粉器送粉系统如图2.3所示：图2.3 送粉系统2.2.2 激光器YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器是用得最多的激光器。YAG激光器有以下特点：成形精度高，成形速度慢，堆积速率一般不超过5in3/h。比起YAG激光器，CO2激光器

42、有以下特点：高功率、光束模式好、激光波长长、能量利用率低。CO2激光照射金属材料，温度越高，其吸收率越高，液体金属更容易吸收激光能量，有时吸收率甚至超出50%，在形成稳定熔池时会输入过多能量，过剩的能量会在零件内部产生较大的残余应力，甚至造成零件开裂、破坏。本实验选择激光器为CO2激光器，最大输出功率6KW，选择惰性气体为氩气。选择工艺参数主要有激光功率、扫描速度、送粉率。多道单层时还需考虑搭接率。2.2.3 惰性气体加工室激光沉积修复/制造系统中的环境控制非常重要，主要控制方法有惰性气体保护和真空保护。惰性气体保护分为两类，分别是：局部惰性气体保护、整体惰性气体保护。本实验选取的是整体惰性气

43、体保护，通过净化系统能够将水、氧净化达到50PPM以下。惰性气体加工室中的保护气体为氩气，装置如图2.4所示：图2.4 惰性气体加工室2.2.4 数控工作台数控系统，除了控制系统速度、精度外要求外，主要参数为数控系统坐标数。理论上只需要三轴，实际生产中加工复杂零件至少需要五轴（X、Y、Z、转动、摆动）数控工作台如图2.5所示：图2.5 数控工作台2.2.5 控制系统控制系统如图2.6所示：图2.6控制系统：（a）控制界面；（b）轨迹界面；（c）工作时2.2.6 金相试样制备及检测设备件先由线切割设备切好，而后进行镶件，把需要观察金相组织的面放朝下，放三勺镶件粉，在把铁块放在镶件粉上，拧紧上盖，

44、打开电源，加压加热，逐渐让温度上升到130，温度上升过程中逐步加压。等待5分钟后，关闭电源，取出件，得到的件可进行磨光。磨光使用的砂纸型号分别有240、400、600、800、1000、1500、2000、2500、3000，最初选用的砂纸为240，砂纸颗粒粗糙，把件进行一个方向打磨，直到所有的刮痕朝着同一个方向可止。接下来逐次选用较大型号的砂纸，换垂直当前刮痕的方向进行打磨，直到把当前刮痕打没为止，后面高倍砂纸打磨时使用的力度越来越小，打磨的时间越来越少。铝合金容易被氧化，对打磨力度和打磨时间必须掌握好，避免产生的热量把表面氧化。使用2000的砂纸打磨后可以抛光、腐蚀，腐蚀液为50ml蒸馏水

45、+5mlHF，腐蚀后在显微镜下观察金相组织。镶件设备型号为XA-2B，磨件工作台型号为MPD-2。镶件设备、磨件工作台、显微镜分别如图2.7所示：(d)(c)(b)(a)图2.7金相试样制备及组织分析设备：(a)(b)镶件设备；（c）磨件工作台；（d）显微镜。在显微镜下可观察到已经腐蚀的铝合金金相组织。2.2.7 工艺规划激光立体成型技术的工艺参数除了激光功率、扫描速度、送粉率、光斑直径外，还有气体成分、压力、流量等。选取工艺参数采用正交法，这些参数的变化会影响成形零件的尺寸特性。图2.8为扫描速度与粉末送入点定义图：图2.8 扫描速度与粉末送入点定义图：（a）V>0,X>0;(b

46、)V>0,X=0;(c)V<0,X=0当选择下列参数：粉末送入点x=-2mm,保护气体流量q=5L/min，扫描速度v=5mm/s，光斑直径为2mm时，单层堆积厚度最大；送粉率越大，单层堆积厚度越高；激光功率越大，单层堆积厚度越高。但激光功率越大，越容易烧蚀粉末，故功率选择必须合适。同等其他条件下，选择激光功率越大，单道熔覆宽度越大；光斑直径越大，单道熔覆宽度越大。综合考虑各参数的影响后，选择优良的工艺参数分别如下：激光功率P=20002200W，扫描速度V=5mm/s，送粉率20r/min，载气量2.2L/min。搭接率大小直接影响成形表面的宏观平整度。在横向搭接熔覆时，选择不同

47、搭接率将会有下列三种情况产生，如图2.9所示16：图2.9 不同搭接率对熔覆层截面形状的影响：（a）搭接率太小；(b)搭接率合适；(c)搭接率太大临界搭接率c成立的假设条件：（1）每一道熔覆道粉量相同，即每道截面积都相等。（2）打接熔覆道截面形状如下图示，第一道截面形状为弓形，圆心为O，第二道圆心为O，其右半部分形状同第一道，OO间的熔覆表面为平面。（3）每道熔覆层最高点厚度相等，根据假设（1），有（2.1）2.2）（2.3）（2.4）临界搭接率时熔覆层横截面形状如图2.10所示：图2.10 临界搭接率时熔覆层截面形状示意图多道熔覆时，搭接率选择尤为重要，光斑直径增大时临界搭接率增大；熔覆层厚

48、度减小时临界搭接率增大，最终趋向1/3。综合考虑后，选择搭接率>33%，这样才会有各熔覆道间明显的高度差，范围是33%35%。通常情况下，评价激光沉积修复试样质量的标准有：（1）修复层是否冶金结合在基体上；（2）是否控制修复层内部缺陷在一定水平；（3）沉积层或沉积道表面是否平整、连续；（5）沉积层表面黏粉率是否较低。通过标准判断，选择更优工艺参数。3 ZL114A激光沉积修复实验3.1 单道单层实验3.1.1 参数选择光斑直径约为3mm，扫描速度39mm/s，激光功率1200W2500W。当功率增加100W（或200W）、扫描速度增加2mm/s、送粉率增加25g/min、载气量增加102

49、5×10-2L/min进行一次单道激光熔覆, 长度为20mm。各单道熔覆的参数如表所示：表3.1 单道熔覆的激光工艺参数编号激光功率/W扫描速度/ mm/s送粉率/g/min载气量/×10-2L/min编号激光功率/W扫描速度/ mm/s送粉率/g/min载气量/×10-2L/min#1200051.5230#19200052.0275#2200051.5200#20220052.0275#3200051.5220#21240052.0275#4200051.5250#22250052.0275#5200051.5275#23150052.5275#6200051

50、.5300#24170052.5275#7200051.5275#25180052.5275#8200051.8275#26200052.5275#9200052.0275#27220052.5275#10200052.2275#28240052.5275#11200052.5275#29250052.5275#12200051.5175#30200032.5275#13200051.5150#31200052.5275#14120052.0275#32200032.5275#15150052.0275#33220032.5275#16140052.0275#34200072.5275#171

51、60052.0275#35200092.5275#18170052.0275图3.1为在不同功率/扫描速度下的激光沉积形貌。图3.1 不同功率/扫描速度下的激光沉积形貌结合图3.1与表3.1，选择较优工艺参数如下：激光功率P=2000W，扫描速度V=5mm/s，送粉率2g/min，载气流量2.2L/min。用该组工艺参数得到的熔覆层制作金相，观察其内部组织。3.1.2 制作金相图3.2为优良工艺参数下熔覆层横截面的组织形貌，有沉积层、热影响区和基材区。图3.2 熔覆层横截面组织形貌：（a）低倍；（b）高倍。在基材区和沉积层之间存在一条明显得熔合线，热影响区便是存在熔合线附近。3.1.3 分析组

52、织图3.3为高倍镜下沉积层、基材区和热影响区的组织形貌：图3.3 高倍镜下组织形貌图：（a）柱状晶与等轴晶；（b）-Al与Al-Si共晶；（c）、(d)柱状晶与等轴晶分布。从图3.3（a）中观察到柱状晶向等轴晶转变，图3.3（c）和图3.3（d）中可以看到柱状晶与等轴晶的分布沉积区底部为柱状晶，中部为柱状晶向等轴晶转变，顶部为等轴晶。图3.3（b）为基材部分，其主要成分为-Al与Al-Si共晶，-Al为块状、片状，Al-Si共晶为针状。激光熔凝速度很快，高的冷却速度限制了晶格生长，故沉积层的晶粒得到细化。枝晶生长沿着激光扫描方向，向散热反方向生长，且垂直于熔合线法线方向生长。熔池底部相对于熔池

53、顶部冷凝速度较慢，故熔池底部利于晶核形成与生长，形成柱状晶。随着冷却速度加快，枝晶生长受到限制，故在熔池顶部形成等轴晶。3.2 多道单层实验3.2.1 参数选择多道单层沉积实验采用的激光功率、扫描速度、送粉率对应表3.2所示，试样分别为#1#3，熔覆道数为6道,搭接率为35%，试样平面尺寸为20mm×25mm。表3.2多道单层沉积实验工艺参数编号激光功率（W）扫描速度(mm/s)扫描间距（mm）#1200031.8#2200051.8#3200052图3.4分别为#1#3的激光熔覆层形貌：图3.4 不同工艺参数的多道单层激光熔覆层形貌从图3.4中知#3试样得到的平面平整度最好，故确定

54、该组为较优工艺参数，激光功率P=2000W，扫描速度V=5mm/s，送粉率2g/min，扫描间距2mm，搭接率35%。3.2.2 制作金相使用较优工艺参数得到的沉积试样制作金相组织，得到的金相照片如图3.5所示:图3.5 多道单层试样不同放大倍数下的金相组织3.2.3 分析组织多道单层沉积实验横截面组织形貌如图3.6所示：图3.6 多道单层横截面组织形貌：（a）低倍；（b）高倍从图3.6（a）观察到各道之间、各道与基材之间都存在熔合线，在激光熔化沉积ZL114A时重熔率较高，能够把前一道的沉积层中等轴晶重熔掉，在后一道沉积层中重新生长出柱状晶，如图3.6（b）。观察多道单层沉积金相组织，无气孔及熔合不良缺陷产生。3.3 气孔与熔合不良在激光沉积修复过程中，选择工艺参数不合适会形成熔覆缺陷，气孔和融合不良是常见的缺陷。气孔对铸件损害非常大，气孔的形成不但能减少铸件有效截面面积，致使金属强度降低；还能形成局部应力集中，降低材料的疲劳抗力、强度，成为裂纹源使材料断裂。在修复组织中形成气孔有2种原因，分别是：（1）与粉末中含水分有关，激光加热过程中水分蒸发产生少量气体，接近表面的气体也许能逸出熔池，快速冷凝的加工过程使远离表面的气体来不及逸出在金属中形成气孔；（2）气体来源放置过程中粉末吸附有