祝弘濱，華倩 ，李瑞迪 ，徐榮 ，林澤恒 ，牛朋達 ，袁鐵錘

(1. 中車工業(yè)研究院，北京 100160；2. 中南大學 粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083； 3. 中南大學 深圳研究院，深圳 518000)

鋁合金是汽車工業(yè)、航空航天領域和電子產品等領域應用最廣泛的金屬材料之一[1?2]。在實際服役過程中，鋁合金零件經常受到沖擊、磨損而導致局部損壞，從而影響其服役壽命。采用定向能量沉積技術(direct energy deposition，DED)對局部損壞的合金零件進行修復，使其恢復初始的外觀和功能，可在一定程度上延長合金零部件的使用期限，提高經濟效益[3?4]。DED成形技術采用較大功率的激光器，用計算機模型設計軟件設計出零部件模型，由程序將其自動分層，切分成數個二維模型，而后通過軟件輸出的數控程序控制激光器和粉末噴頭逐層打印成形。DED成形是多層反復熔化沉積的過程，層與層之間的結合質量更為優(yōu)質。由于激光具有高能量密度的特性，因而成形件的組織細小，從而獲得良好的硬度、塑性以及耐腐蝕性能[5?8]。

目前DED技術主要應用于不銹鋼和鈦合金零構件的成形，而鋁合金具有激光反射率高、易氧化形成難熔氧化物、導熱率高等特性，制約了DED技術在鋁合金零部件的制備和修復方面的應用，有關研究局限于部分鋁合金體系。王小艷等[9]用AlSi12合金粉末為原料，采用DED技術修復7050鋁合金，通過化學處理基材表面、優(yōu)化修復工藝參數、改變粉末狀態(tài)等，有效抑制了裂縫和氣孔的產生，但沒有研究修復后的力學性能。郭永利等[10]利用成分為98%Al-2%Cu(質量分數)的球形合金粉末，采用激光沉積法修復7050鋁合金的預置凹槽，修復后合金試樣的抗拉強度為252.6 MPa，為修復前強度的90%，伸長率為11.97%，為修復前伸長率的97%；并發(fā)現修復區(qū)底部的熔覆搭接區(qū)內晶粒為沿垂直于熔合界面生長的柱狀晶，搭接區(qū)頂部的晶粒則以等軸晶為主。張可召等[11]采用AlSi10Mg球形粉末對5A06鋁合金進行激光修復，并對比了在不同激光功率下修復試樣的力學性能和顯微組織。結果表明，在較低功率下，修復用的粉末較難完全熔化，因此容易在修復凹槽側壁以及修復區(qū)熔覆層之間產生未熔合缺陷，從而使修復試樣的性能較低(激光功率為600 W時抗拉強度為75～100 MPa，伸長率小于3%)，在修復功率提高到1 400 W時，力學性能明顯升高，抗拉強度和伸長率分別為212.6 MPa和2.8%，但也只能達到基體強度的63.5%，基體伸長率的13.8%。欽蘭云等[12]對預制槽損傷的ZL114A鑄造鋁合金進行激光沉積修復，修復區(qū)與基材形成良好的冶金結合，沉積區(qū)底部為近似平行于熔合線法線外延生長的柱狀樹枝晶，共晶組織呈分叉棒狀或塊狀連續(xù)分布于枝晶間隙，在沉積層頂層頂部，a-A1柱狀枝晶轉變?yōu)榈容S枝晶。熱處理后修復區(qū)柱狀枝晶的二次枝晶臂連成一片，共晶Si相呈顆粒狀，粒徑約4.93 μm，部分顆粒均勻分布于一次枝晶臂的兩側。熱處理后修復區(qū)硬度平均提高約1.6倍，修復試樣的室溫拉伸性能達到基體強度的92%，優(yōu)于鑄造基材。

雖然激光修復技術是一種有潛力的修復工藝，在一些牌號的鋁合金中已得到較好的應用，但關于軌道交通、航空航天等重要領域中使用較多的5系鋁合金結構材料的激光修復研究很少，并且對于修復件的力學性能、組織演變以及熱循環(huán)對基材性能的影響規(guī)律研究很少。本文作者采用相同系列(5系鋁合金)的Al-Mg-Sc-Zr合金粉末作為修復原料，采用激光定向能量沉積方法對開槽5083合金進行增材修復，研究基體、熱影響區(qū)和修復區(qū)的顯微組織，以及修復后的力學性能和顯微硬度。同時利用開槽模型設計出不同修復體積的樣件，研究修復體積對修復件力學性能的影響規(guī)獲得5系鋁合金的修復工藝，為激光修復鋁合金提供實驗數據和理論支撐。

1 實驗

1.1 DED法修復開槽鋁合金

本研究采用的基體材料為5083-O態(tài)(退火態(tài))鋁合金，在尺寸150 mm×150 mm×40 mm的基板上開6個凹槽以模擬損傷。待修復的開槽鋁鎂合金試樣與開槽的截面尺寸如圖1所示，凹槽長度為30 mm左右，深度為6 mm。基體材料的成分和室溫拉伸性能列于表1。修復原料為氣霧化Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，采用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀(inductive coupled plasma emission spectrometer，ICP)檢測其成分，結果列于表2。

圖1 開槽鋁合金樣件圖和溝槽截面尺寸 Fig.1 Image of the slotted 5083 alloy sample (a) and groove cross-section size (b)

表1 5083合金材料的成分和力學性能 Table 1 Composition and mechanical properties of matrix material (5083 aluminum alloy)

表2 修復材料的成分 Table 2 Composition of repair materials (mass fraction, %)

所用LMD8060型激光定向能量沉積設備由南京中科煜宸激光技術公司生產。主要由程序設計電腦、激光系統、送粉系統、保護氣系統和數控成形艙體(激光粉末同軸噴頭、五軸成形工作臺、密封艙) 等幾部分組成。修復過程中采用氬氣作為保護氣氛，當成形倉內的氧氣體積分數低于0.03%時開始進行修復。為保證修復界面結合良好，凹槽的倒模模型尺寸為凹槽的1.1倍。激光定向能量沉積工藝參數為：激光功率1 600 W、送粉器轉速為1.2 r/min、氬氣流量4 L/min、單層抬升量0.5 mm、掃描間距1.2 mm。

1.2 組織與性能表征

在修復后的鋁合金樣件上，通過電火花線切割法在凹槽水平方向和豎直方向取樣，用于研究母材和修復區(qū)域結合界面的顯微組織。用萊州ZXQ-5HS鑲嵌機以及酚醛樹脂料對試樣進行熱鑲，然后用砂紙在萊州 MP-2B水磨機上打磨，再用Al2O3懸濁液進行拋光，直至表面沒有明顯劃痕。用科勒試劑(1.0 mL HF+2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+95 mL H2O)腐蝕30～60 s后，用清水沖洗，干燥，然后在光學顯微鏡下觀察修復區(qū)水平面和側剖面的形貌。

將金相表征后的樣品再用科勒劑腐蝕30～60 s，至表面出現清晰的激光掃描道輪廓，利用Quanta 200(FEI)型掃描電鏡，分別在二次電子模式(secondary electrons，SE)和電子背散射衍射模式(electron backscattered diffraction，EBSD)下觀察樣品的表面形貌和相分布，得到表征區(qū)域的EBSD圖像以及由EBSD圖像數據生成的局部取向差分布圖(kernel average miscorientation，KAM)圖像，通過EBSD和KAM圖像分析材料的應力分布，并表征樣品表面的菊池花樣和點缺陷與內應力，由此判斷材料的應變情況。由于該圖像質量受成像設備的影響，并與所用電鏡參數以及拍攝環(huán)境有關，分析結果存在一定的誤差，一般用于定性表征[13]。另外，用平均取向差分布圖表達材料表面一個點與其附近點的平均取向差，并用顏色差異表示，更明顯地觀察出晶粒的位錯演變及其應力分布情況[14?16]。

通過電火花線切割，在鋁合金修復件上橫跨修復區(qū)域切取不同高度的4個拉伸試樣。拉伸試樣的尺寸、取樣方式及修復體積分數所取樣品中修復區(qū)體積占修復凹槽體積的百分數如圖2所示。其中有3個試樣包含修復區(qū)，1個試樣為熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)。由于拉伸試樣橫跨凹槽帶斜度的一方，從截面來看高度不一樣，因而修復體積分數(拉伸試樣中修復區(qū)體積占總標距段體積百分比)不同。采用電子萬能拉伸試驗機測試鋁合金母材、熱影響區(qū)和不同修復體積 分數的修復試樣的拉伸性能，包括屈服強度、抗拉強度和伸長率，并利用掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。采用MICROMET 5104型顯微硬度計，從熔合線附近的基體向修復區(qū)域每隔0.5 μm打點進行硬度測試，當硬度發(fā)生突變時，縮短打點間隔為0.05 μm，于突變區(qū)域進行打點測量硬度。

圖2 拉伸試樣的尺寸(a)、取樣位置(b)和不同 修復體積分數試樣的示意圖(c) Fig.2 Dimension (a) and sampling method (b) of stretching sample and repaired volume fraction schematic diagram (c)

2 結果與討論

2.1 微觀結構

圖3所示為鋁合金修復件的修復區(qū)與基體區(qū)熔合線的水平面腐蝕后的金相圖。由圖可見，修復區(qū)呈現出典型的DED成形特征，基體區(qū)呈現出H112工藝(即合金經過熱加工成形后，輕微加工硬化或經過少量冷加工后再進行輕微加工硬化，以滿足特定的力學性能要求)處理后的組織特征，兩個區(qū)域之間分界明顯。修復區(qū)底部的形貌如圖3(a)所示，沿掃描軌跡分布著一部分灰色區(qū)域，經倍數放大后的圖3(d)可見，該區(qū)域存在于修復區(qū)與基體區(qū)之間，厚度約為30～50 μm，為熱影響區(qū)，它可分為兩塊，靠近修復區(qū)的部分為固液共存區(qū)，即在成形過程中，成形第一層時，底面基體受熱升溫，升至固相線以上、液相線以下，達到固液共存狀態(tài)，與熔化粉末結合；另一部分即靠近基體的部分，僅僅受到激光能量輻射產生的熱影響作用，未熔化。圖3(b)和(c)所示分別為修復區(qū)中部和頂部的熔合線水平面金相圖，可見隨著一層一層修復完成，熔合線趨于規(guī)則平整。由于修復凹槽側壁與激光的接 觸面積遠小于凹槽底部與激光的接觸面積，因而修復區(qū)側壁熔化區(qū)域范圍較小，固液共存區(qū)不明顯，從圖中看不到灰色帶狀區(qū)。同時，圖3(b)和(c)中有大量孔洞，這是由于凹槽導致修復區(qū)內嵌于基板中，基板充分散熱使得修復區(qū)冷卻凝固速度太快，氣體來不及逸出而形成孔洞。

圖3 修復區(qū)與基體區(qū)熔合線水平面腐蝕后的金相照片和局部放大圖 Fig.3 Metallographic diagrams of the horizontal plane of fusion line between repaired zone and matrix zone after corrosion

圖4所示為鋁合金修復件的修復區(qū)與基體區(qū)熔合線水平面的SEM照片。由圖可見，基體區(qū)有白色不規(guī)則形狀的Al3Sc顆粒物呈線條狀分布排列，如圖4(a)所示。這是在對基體合金進行H112熱加工的過程中，Sc從基體中析出形成的。從圖4(b)、(c)和(d)看出，大量白色點狀Al3(Sc,Zr)初生相在熔合線以及掃描軌跡附近析出。根據析出相的分布可劃分出修復區(qū)、固液共存區(qū)和基體區(qū)。圖4(b)中呈現40～50 μm寬度的熱影響區(qū)，與圖3(a)相似；圖4(c)和(d)中熱影響區(qū)的寬度明顯小于底部，約為10～20 μm。

圖4 修復區(qū)與基體區(qū)熔合線水平面的SEM照片 Fig.4 SEM images of the horizontal plane of the fusion line between the repaired area and the matrix area

圖5所示為鋁合金修復件的截面金相照片。凹槽修復完成后，修復區(qū)的兩端向下傾斜，中部不斷向上堆積成形，從圖5(a)觀察到修復區(qū)中心部分呈線狀分層。修復區(qū)底部和兩端的孔隙數量比修復區(qū)中心多，同時孔洞尺寸增大，這是因為不同位置的冷卻速率不同。修復區(qū)底部靠近基板，冷卻速率快，形成的氣孔無法及時逸出，而修復區(qū)中部的冷卻速率相對較慢，因此孔隙數量減少。修復區(qū)兩端與基體之間有明顯的分界線，掃描軌跡呈粗細晶分布，如圖5(b)和(d)所示。經倍數放大后發(fā)現，修復區(qū)與基體之間的晶粒呈樹枝狀分布，樹枝晶區(qū)域寬約10～20 μm，而修復區(qū)底部(圖5(f)所示)枝晶區(qū)寬度達到約50 μm。該區(qū)域為固液共存區(qū)，沿垂直于底部熔合線的方向從修復區(qū)向基體延伸，這是因為在修復試樣底部的過程中，基板起到極大的散熱作用，沿垂直于熔合線、面向基板的方向凝固速度更快。同樣的現象也出現在修復 GH738[17]、TC4[18]等合金中。

圖6所示為修復區(qū)側剖面的SEM照片，從圖中觀察到與圖5相似的樹枝晶區(qū)域，并明顯看出該區(qū)域垂直于熔合線方向從修復區(qū)向基體延伸。其頂端可見大量的細小晶粒和析出相，晶粒尺寸小于修復區(qū)內部的晶粒尺寸，細晶沿樹枝晶區(qū)域頂部邊緣分布。相鄰 修復層之間的樹枝晶區(qū)域比修復層中部的寬，與底部的寬度相近，如圖6(a)和(c)所示。

圖5 修復區(qū)側剖面的金相圖與局部放大圖 Fig.5 Metallographic diagrams of side section of repaired area

圖6 修復區(qū)側剖面的SEM照片和局部放大圖 Fig.6 Side section SEM images of repaired area

為進一步分析熔合線附近的組織，選擇修復區(qū)側剖面的左側進行EBSD分析，結果如圖7所示。從圖7(b)可見，應力集中分布在熔合線附近以及修復區(qū)內部晶粒的晶界邊緣，而分布在基體區(qū)柱狀晶內部的應力較少。由于采用的基體合金是O態(tài)，并且在修復過程中受熱部分熔化，凝固時順著溫度梯度的方向生長，因此為粗大的柱狀晶，而修復區(qū)為細小等軸晶，如圖7(c)和(d)所示。

圖7 修復區(qū)側剖面左端熔合線的 EBSD分析 Fig.7 EBSD of the fusion line at the left end of the side section of the repaired area

經EBSD的數據統計，得到修復區(qū)晶粒尺寸分布，如圖8(a)所示，晶粒尺寸基本為4～9 μm。結晶過程需要滿足熱力學條件吉布斯自由能ΔGv<0，ΔGv用式 (1)計算：

圖8 修復區(qū)的晶粒尺寸分布和晶界反向差角分布 Fig.8 Grain size distribution (a) and grain boundary orientation angle distribution (b) of repaired area

式中：Lm為熔化熱，kJ/kg；ΔT為過冷度；Tm為理論結晶溫度，℃；ΔGv為單位體積的液相轉變?yōu)楣滔嗟募妓棺杂赡?。?2)所示為Johnson-Mehl方程[19]，晶粒數量Z表示為：

式中：N為形核率；vg為晶體長大速率；k為常數。由式(2)可知晶粒數量隨晶粒生長速率增大而減少。此外，單位時間內的晶核數量與晶粒尺寸成反比，因此，晶粒尺寸隨形核率增加而減小，隨晶粒生長速率增加而增加。形核率、晶粒生長速率與過冷度ΔT的關系 分別如下：

由式(3)和(4)可知，隨過冷度增大，形核率與晶體長大速率都增大，但形核率增長速度更快。綜上所述，當過冷度增加時，單位時間內晶核數量增加，晶粒細化。在修復過程中，由于基板的散熱，使得修復區(qū)域的過冷度較大，從而導致修復區(qū)晶粒數量較多，晶粒尺寸細小。

圖8(b)所示為鋁合金修復件修復區(qū)的晶粒的晶界取向差角分布。由圖可知晶粒以大角度晶界為主，這是由于Al3(Sc,Zr)沉淀粒子大量析出抑制了晶粒再結晶，因此大角度晶界的體積分數較大。

2.2 力學性能與硬度

圖9所示為鋁合金修復件的基體、熱影響區(qū)和不同修復占比的拉伸性能。從圖9看出，與修復前的母 材相比，鋁合金修復后熱影響區(qū)的抗拉強度提高，基體和熱影響區(qū)都具有較高的伸長率，分別為20.86%和21.57%。基體的抗拉強度和屈服強度分別為197.73 MPa和116.56 MPa，熱影響區(qū)的抗拉強度和屈服強度分別為239.44 MPa和123.79 MPa，這表明經過熱循環(huán)后，熱影響區(qū)的抗拉強度明顯提高，伸長率和屈服強度略微上升。修復體積為23.24%的修復樣的抗拉強度和屈服強度與母材相當。繼續(xù)增大修復體積，抗拉強度和屈服強度增大，伸長率下降。修復體積為65.85%的修復樣的抗拉強度和屈服強度超過母材。這是因為采用比基體材料強度更高但伸長率較低的修復材料進行修復，因此，隨修復區(qū)體積分數增大，修復件強度提高，伸長率降低。

圖9 修復件的基體區(qū)、熱影響區(qū)及不同修復占比 (體積分數)修復區(qū)的拉伸性能 Fig.9 Tensile properties of matrix, heat-affected zone (HAZ) and repaired zone with different volume fraction

基體和熱影響區(qū)拉伸試樣的斷口均在試樣中部，而修復區(qū)試樣的斷口位于靠近修復區(qū)一側的基體內。這是因為修復區(qū)的力學性能高于母材，因而基體較薄 弱，在拉伸時基體部分先斷裂。斷口形貌如圖10所示。由圖可見基體、熱影響區(qū)和修復區(qū)試樣的拉伸斷口較相似，斷口都位于基體區(qū)。斷口均由大量的韌窩及部分解離面構成，斷面還存在一些柱狀晶，晶粒尺寸與圖7(c)和(d)中的柱狀晶尺寸相近，表現出典型的韌性斷裂為主、沿晶斷裂為輔的斷裂特征。還發(fā)現柱狀晶區(qū)域隨修復體積增加而增大，即脆性斷裂區(qū)域增多，從而導致修復試樣的塑性降低。

圖10 修復件的熱影響區(qū)和不同修復體積分數的修復區(qū)斷口形貌與局部放大圖 Fig.10 Fracture SEM morphology and local magnification of repaired samples with different repair volume fraction

圖11所示為鋁合金修復件的顯微硬度(HV，下同)分布，由虛線相隔的區(qū)域從左到右分別為基體、熱影響區(qū)、部分熔化區(qū)和修復區(qū)。圖11(a)為修復件左側的顯微硬度變化以及硬度突變點位置的金相圖，由圖可見，修復試樣的4個區(qū)域硬度差別較大，從基體到修復區(qū)總體呈上升的趨勢。修復區(qū)的硬度高于基體硬度，并在修復區(qū)邊緣硬度變化出現一個小臺階，即存在固液共存區(qū)。進入修復區(qū)后硬度提升至100 MPa左右上下波動，該現象在修復區(qū)底部更明顯，能觀察到基體硬度在50～55 MPa波動。熱影響區(qū)硬度顯著提高，而進入固液共存區(qū)后硬度開始下降，這可能是由于部 分熔化區(qū)是由基體與粉體材料熔化后相互混合再凝固而形成的區(qū)域，因此該部分組織和成分都不均勻。進入修復區(qū)后硬度顯著提升至100 MPa。由此也看出，修復區(qū)強度>熱影響區(qū)強度>基體強度，與拉伸試驗結果一致。

圖11 鋁合金修復試樣的顯微硬度分布 Fig.11 Microhardness distribution of repaired aluminum alloy samples

3 結論

1) 采用DED技術，用鋁鈧合金粉末修復開槽鋁鎂合金，修復件可劃分為基體區(qū)、未熔化熱影響區(qū)、固液共存區(qū)和修復區(qū)。修復區(qū)熔合線附近的晶粒為樹枝晶，構成固液共存區(qū)，垂直于熔合線方向由修復區(qū)向基體延伸。修復區(qū)兩端熔合線附近的固液共存區(qū)較窄，為10～20 μm寬，而底部的固液共存區(qū)較寬，寬約40～50 μm。

2) 基板的散熱作用導致修復區(qū)出現較多孔洞，同時大量Al3(Sc,Zr)顆粒于熔合線和掃描軌道附近析出。由于過冷度增大，加上Al3(Sc,Zr)沉淀粒子的晶粒細化作用，經修復后修復區(qū)的晶粒尺寸明顯小于修復前的，且晶界取向差仍以大角度晶界為主。

3) 相較于基體區(qū)，熱影響區(qū)的力學性能顯著提高。鋁合金修復試樣的強度提高而伸長率大幅降低，修復區(qū)內隨修復體積增大，伸長率下降，抗拉強度升高。基體區(qū)的顯微硬度(HV)在50～55附近波動，進入熱影響區(qū)后硬度顯著提升，經固液共存區(qū)出現一定波動，于修復區(qū)達到最大值，HV約為100。