劉盛耀，張英喬，郭 昱

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030051）

AZ91D鎂合金表面激光熔覆Al+WC+La2O3復(fù)合涂層性能的研究

劉盛耀，張英喬，郭 昱

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030051）

在Al+WC復(fù)合粉末中添加不同量的La2O3，利用激光形成熔覆層。采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、能譜儀（EDS）分析不同含量的稀土La2O3對涂層的顯微組織、物相組成及性能影響。研究表明，由于稀土的加入，復(fù)合涂層的晶粒進(jìn)一步細(xì)化。當(dāng)稀土含量為1.2％時(shí)涂層的平均顯微硬度為280 HV，相比AZ91D鎂合金基體的60 HV提高了約4.5倍。

激光熔覆；Al+WC；La2O3；顯微硬度

0 前言

鎂合金是一種重要的輕質(zhì)材料，因其較低的密度和較高的比強(qiáng)度增加了它在航空航天和汽車行業(yè)的應(yīng)用范圍。然而鎂合金較差的耐磨性和耐腐蝕性限制了其潛在的應(yīng)用[1]。陶瓷材料具有良好的耐磨、耐腐蝕和抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，但陶瓷材料單獨(dú)使用時(shí)容易出現(xiàn)裂紋，因此將金屬粉末和陶瓷粉末混合制成復(fù)合涂層可以解決這一問題[2]。稀土元素可以改善激光熔覆涂層的組織和性能，增加涂層組織致密性，降低涂層與基體之間的熱膨脹系數(shù)，降低涂層中的熱應(yīng)力，減少雜質(zhì)和裂紋[3-4]。在此通過加入不同含量的La2O3粉末研究其對Al+WC涂層組織和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)使用壓鑄型鎂合金作為基體材料，將其加工成20 mm×15 mm×4 mm的塊狀。先用600＃SiC砂紙打磨，用酒精清洗去除油污，空氣中干燥。選取Al粉顆粒度為300目，WC粉顆粒度為500目，質(zhì)量比9∶1。稀土元素分別以0.8％、1.2％、1.6％的百分比加入。使用水玻璃∶水的比例為1∶1配置粘合劑將上述三種粉末以膏狀形式涂覆在AZ91D表面，涂覆厚度0.4 mm，放于空氣中干燥。用脈沖激光器Nd-YAG進(jìn)行熔覆，激光參數(shù)：光斑直徑1.1mm，速度150mm/min，電流120 A，頻率20 Hz，脈寬4 ms。實(shí)驗(yàn)保護(hù)氣體采用氬氣，氣流量10 L/min。激光表面改性層的微觀結(jié)構(gòu)采用光學(xué)顯微鏡和電子掃描顯微鏡觀察，通過X射線衍射儀分析涂層的物相組成。使用HVS-1000數(shù)顯硬度計(jì)測量涂層與基體的顯微硬度，施加載荷0.98 N，保壓時(shí)間15 s，取表面同一深度3個(gè)點(diǎn)的平均值作為一個(gè)測量值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 顯微組織

圖1a、1b、1c為稀土La2O3含量為0％的涂層的金相顯微圖。

圖1 激光熔覆涂層顯微組織形貌Fig.1Microstructure of cross-section of laser clad coating

圖1a為激光熔覆后熔覆層的橫截面顯微組織形貌。按照組織不同，整個(gè)激光熔覆層沿層深方向大致可分為熔覆區(qū)、界面結(jié)合區(qū)和基體三個(gè)部分。圖1b為熔覆層結(jié)合處高倍下的組織形貌，可以看到涂層與基體結(jié)合良好，無裂紋和氣孔等缺陷。圖1c為熔覆層上部的顯微組織。綜合圖1b和圖1c可知，從基體到熔覆層表面的顯微組織出現(xiàn)明顯分層，原因是液體凝固時(shí)晶體生長形態(tài)取決于G/R（溫度梯度/凝固速度）[5]，在基體和熔覆層之間的結(jié)合區(qū)，G值很大而R值很小，G/R值很大，凝固所釋放的熱量全部向界面后方的固體散去，因此結(jié)合區(qū)的凝固組織為平行狀柱狀晶，且生長方向與結(jié)合面垂直。隨著遠(yuǎn)離結(jié)合區(qū)，液態(tài)熔池的溫度梯度G逐漸變小而凝固速度R逐漸增加，此時(shí)熔覆層冷卻不僅通過已凝固的柱狀晶區(qū)，還通過周圍空氣介質(zhì)輻射和對流散熱，液相中形成很寬的成分過冷區(qū)，滿足了形核對過冷度的要求，因此在剩余的熔池中同時(shí)形核[6]。此時(shí)晶核的長大速度在各個(gè)方向上幾乎相等，因此形成了等軸晶。圖1c～圖1f分別為稀土含量為0％、0.8％、1.2％和1.6％的熔覆層上部顯微組織，可以看出加入適量的稀土后，涂層晶粒逐漸細(xì)化。原因是稀土的加入減小了液態(tài)金屬的表面張力和臨界形核半徑，使得在同一時(shí)間內(nèi)的形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)目明顯增加[7]。同時(shí)，稀土元素較活潑的化學(xué)性質(zhì)易與其他元素反應(yīng)生成化合物。這些化合物成為新的形核質(zhì)點(diǎn)，提高了涂層的形核效率，從而細(xì)化了晶粒。但是稀土加入過量，會(huì)降低液態(tài)金屬的流動(dòng)性，不利于凝固過程中的成分過冷，不利于晶粒細(xì)化。

2.2 物相分析

稀土La2O3含量為1.2％的熔覆層掃描圖如圖2所示。

圖2 顯微組織的掃描圖Fig.2SEM images of microstructure

圖2a為熔覆層結(jié)合處掃描圖，可以看到結(jié)合處有一道白色的亮白帶，EDS分析得到此處有較多的Mg、Al等元素存在，說明涂層與基體發(fā)生互熔，涂層與基體之間產(chǎn)生了良好的冶金結(jié)合。圖2a標(biāo)記1處的EDS能譜測得含有61.27％Mg和34.45％Al，圖2a標(biāo)記2處的EDS能譜測得含有64.64％Mg和33.50％Al，結(jié)合圖3和表1分析可知這些相為金屬間化合物Al12Mg17。圖2b為熔覆層中上部的掃描圖，標(biāo)記3處和標(biāo)記4處的EDS能譜測得分別含有w（W）=95.46％和w（W）=38.96％，結(jié)合圖3和表1說明分解的WC與Mg、Al元素反應(yīng)生成的新相Al4W、Al18Mg3W2等金屬間化合物以及未分解的WC均以彌散相形式分布在熔覆層中，起到細(xì)化晶粒的作用和第二相強(qiáng)化的作用，改善了熔覆層的組織和性能。由圖3可知，La2O3含量為1.2％的涂層中，La與Al反應(yīng)生成了LaAl3化合物，減少了涂層中Al元素的燒損，改善了涂層組織。同時(shí)，LaAl3作為形核質(zhì)點(diǎn)，提高了形核率，細(xì)化了晶粒。

表1 結(jié)合處組織、WC和新相的能譜分析Table 1WC，new phase and interface of coating analysis by EDS

2.3 顯微硬度

加入不同稀土含量時(shí)熔覆層顯微硬度曲線如圖4所示，可以看出涂層的硬度明顯高于AZ91D鎂合金基體。原因一是激光的快速冷卻作用使得涂層晶粒來不及長大而得到細(xì)化；原因二是在激光的高溫下，大部分WC分解得到的C元素起到細(xì)化晶粒的作用；原因三是Al4W、Al18Mg3W2、Al3Mg2等金屬間化合物起到第二相強(qiáng)化的作用。當(dāng)熔覆層不含稀土La2O3時(shí)，熔覆層的硬度變化趨勢為從表層到結(jié)合處逐漸升高直至鎂合金基體又出現(xiàn)大幅降低。原因是在激光熔覆過程中，涂層表面金屬元素發(fā)生燒損、雜質(zhì)元素上浮、硬質(zhì)相減少，從而導(dǎo)致表面硬度降低。通過對比可以看出，當(dāng)加入稀土后，涂層的硬度趨于均勻，原因是稀土與涂層金屬元素發(fā)生反應(yīng)生成化合物從而減少了涂層的金屬燒損，凈化和細(xì)化涂層組織，增加涂層的均勻性[8]。當(dāng)稀土含量為1.2％時(shí)，熔覆層的平均硬度最高為280 HV，比鎂合金基體的60 HV提高了約4.5倍。隨著稀土含量增加到1.6％時(shí)，熔覆層硬度值開始下降，原因是過量的稀土作為一種雜質(zhì)相，使熔池的流動(dòng)性降低，涂層的組織變得不均勻，從而使顯微硬度有所下降[9]。

圖3 熔覆層的X射線衍射圖譜Fig.3X-ray diffraction spectrum of coating

圖4 不同含量La2O3的涂層的顯微硬度Fig.4Microhardness of the coating with different contents of La2O3

3 結(jié)論

（1）激光熔覆Al+WC+La2O3涂層，多數(shù)分解的WC與Mg、Al元素反應(yīng)得到的新相細(xì)化了晶粒，改善了組織。部分未分解的WC以彌散相形式分布在涂層中，提高了涂層的顯微硬度。

（2）稀土La2O3加入，增加了形核速度和數(shù)量，有利于細(xì)化晶粒。同時(shí)，減少合金元素?zé)龘p，改善了熔覆層組織和性能。

（3）當(dāng)稀土La2O3含量為1.2％時(shí)，涂層顯微硬度相對鎂合金AZ91D提高了約4.5倍。但是隨著稀土La2O3繼續(xù)增加，稀土本身成為涂層中的雜質(zhì)相，降低組織的均勻性，從而降低了涂層的顯微硬度。

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Laser surface cladding of AZ91D magnesium alloy with Al+WC+La2O3powders

LIU Shengyao，ZHANG Yingqiao，GUO Yu
（Deparment of Materials Science and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Different amounts of La2O3were added in the Al+WC composite powders，and the cladding layer was formed by the laser. The effect of different contents of La2O3on the microstructure and phase structure of coating was investigated by optical microscopy，scanning electron microscopy（SEM），X-ray diffraction（XRD），energy dispersive spectroscopy（EDS）.The results showed that due to the addition of rare earth,the grain of coating had been further refined.When the rare earth content was 1.2％，the hardness of the coatings（280 HV）compared to AZ91D magnesium alloy matrix（60 HV）increased about 4.5 times.

laser cladding；Al+WC；La2O3；microhardness

TG456.7

A

1001－2303（2017）01－0031-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.05

獻(xiàn)

劉盛耀，張英喬，郭昱.AZ91D鎂合金表面激光熔覆Al+WC+La2O3復(fù)合涂層性能的研究[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：31-34.

2016-07-15

劉盛耀（1991—），男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事鎂合金表面激光改性的研究工作。