（材料学专业论文）铸造铝硅合金激光表面改性梯度层组织及性能研究.pdf

海交通掌*掌m论文l-， 铸造铝硅合金激光表面改性梯度层组织及性能研究 摘要 铸造铝硅合金因其比强度和比模量高、耐腐蚀、导电导热性好以及良好的铸 造性能等特点，其工业应用目益广泛。随着它在航空、航天、汽车和机械制造领 域中的应用进一步扩大，对其表面强度和硬度提出了更高要求，因此，a 1 一s i 合 金表面强化成为了表面改性领域的一个重要研究课题。 在铝硅合金众多的表面改性方法中，激光改性处理技术以其独特的优点吸引 了许多研究者的关注。但是，在激光表面改性层中常常会出现气孔、裂纹等缺陷， 特别是在铝合金的激光表面改性层内，因基体与激光改性层之间物理和机械性能 差异较大，在两者的界面存在较大的残余应力，此部位易产生开裂。为了弥补基 体和改性层之间物理和机械性能方面差异带来的弊端，在基体表面制备功能梯度 膜( f u n c t i o n a l l yg r a d i e mc o a t i n g ) 的表面强化技术，开始得到人们的重视。功 能梯度膜就是通过对材料表面成分和组织设计，使其表面到基体在成分和组织上 具备梯度变化的特征，从而获得性能连续变化的材料表面改性层，满足材料的特 殊服役条件。l 本文利用大功率激光器，采用逐次叠加的激光改性技术，在铸造铝硅合金表 面制备n i w c 和c r w c 激光改性梯度层( l m g ) 。首先在一定假设的基础上， 考虑到激光改性预涂覆粉末与基体金属热物理性能差异，建立起相应的a 1 s i 合金表面激光改性加热温度场的数学模型。利用三维非线性数值分析方法和先进 的有限元分析软件m a r c ，对第一次激光改性过程中的温度场进行了计算分析， 确定了激光改性梯度层制备过程中关键的加工工艺参数，并据此制定出激光表面 改性工艺。 铝硅合金激光表面改性梯度层是通过3 次激光扫描处理获得的。每次的预涂 覆层中硬质相w c 颗粒的含量不断增加，由1 0 增加至3 0 。利用s e m 、t e m 、 e d x s 和x 射线衍射仪对每次n i w c 和c r w c 激光改性层和激光改性梯度层组 织结构、化学元素含量及其分布规律进行了详细的对比分析。研究结果表明，无 论是单次激光改性层还是多次激光改性的梯度层，其组织主要由三个不同特点的 区域组成：枝晶区、柱状晶区和化合物区，并随着激光改性次数的增加，最表面 的化合物区扩大，a 1 n i 和a 1 c r 化合物数量增加：3 次激光改性的n i w c 梯度 层组织主要有d a l 、s i 、w c 、n i 以及a 1 - n i 系化合物a 1 n i 和n i 3 a l ，另外还存 在一些合金元素n i 与w 元素形成的n i 2 w 4 c 化合物。由于改性梯度层制备中， n i 合金元素不断的加入，改性层表面n i 含量的增加，在第一次激光合金化层中 出现的a l ，n i 2 相被随后出现的n i 3 a l 所代替。3 次激光扫描的c r w c 梯度层组织 除了旺一a 1 、s i 、w c 外，还有因c r 合金元素加入而出现的a 1 9 c r 4 、a l l 7 c r 9 、c r 7 c 3 等相。对比多次激光扫描后的分析结果，在整个改性梯度层内部自基体至表面各 主要合金元素a 1 和n i ( c r ) 含量变化趋于平缓。、j i 1 至于稀土合金元素对a 1 s i 激光表面改性地影响，本研究发现，添加c e 0 2 镕4 幸吕2 $ 口& * 梯度层n 自t a * 能日究 的激光改性梯度层，其相组成与组织形态都发生了相应变化。当加入1 的c e 0 2 ， 改性层基底组织0 1 a 1 枝晶间距减小，胞状晶直径减小，晶粒得到细化；s i 相由 块状变为细小分散的小颗粒状；并且改性梯度层中的a 1 - n i 或者a 1 一c r 化合物形 态由原来的块状或长条状变为棒状。另外研究发现，原具有尖锐棱角的w c 硬质 相也趋于钝化，这种组织形貌的变化有利于改性梯度层整体性能的提高。 在铝硅合金表面n i w c 和c r w c 激光改性梯度层的性能研究中，本文还着 重探讨不同激光改性次数对所获得的激光改性梯度层的硬度、耐磨性和耐蚀性能 的影响。( 通过试验发现，本文获得的激光改性梯度层内显微硬度自基体至改性层 表面的j 笋、布呈现连续变化，但是在单次激光改性层与基体的交界面处显微硬度却 出现突变；同时，本文还对在3 次激光改性过程中添加的w c 硬质相的变化进行 了详细的分析研究，发现经3 次激光扫描后w c 硬质相分别发生棱角溶化、溶解 后重新析出形成w c 。以及与其他元素形成化合物等三种变化方式，w c 的这些 变化都会对改性梯度层性能产生重要影响。 通过滑动摩擦磨损试验，对n i w c 和c f f w c 两种激光改性梯度层的耐磨性 能及磨损机理的研究发现，铸造铝硅合金，经过不同激光扫描次数的表面改性层 的耐磨性能均有不同程度提高，且经过三次激光改性处理的梯度层表面具有最好 的耐磨性能。因经过3 次激光改性处理后的梯度层都具有“表面硬度高，内部韧 性强”的特点，并且由于梯度层内化学成分和组织结构里梯度变化，应力集中敏 感性大为下降，从而起到表面增强效果。l 本文采用恒电位仪还测量了a l s i 合金激光表面改性层的阳极极化曲线。依 据其极化曲线上“突变电势”的差异对不同工艺下的激光改性层耐腐蚀性能进行 了讨论。( 结果表明，经激光改性后a 1 s i 合金耐腐蚀性明显增强，经3 次激光改 性处理的n i w c 改性梯度层的耐腐蚀性能优于单次、2 次激光改性梯度层。对 于3 次激光改性的c r w c 梯度层由于表面存在较多的高硬度的化合物相，导致 较大内应力的存在，甚至在表面形成裂纹。在腐蚀介质中易产生严重的应力腐蚀 现象，其耐腐蚀性能还不如2 次激光改性的c r w c 梯度层；而c e 0 2 具有净化晶 界、改善组织形态缓解内应力、提高表面质量等作用，有效地提高改性梯度层表 面的阳极反应电势，从而添加1 的c e 0 2 的能够有效地提高其表面耐腐蚀性能。1 + 厂 关键词：铸造铝硅合金i 激光改性梯度层ic e 0 27 碳化钨7 耐磨性能、 耐腐蚀性能 。 海交通掌博女掌位*文摘要 a b s t r a c t c a s la l u m i n u ma l l o yh a sm a n yp o t e n t i a li n d u s t r i a la p p l i c a t i o n so w i n gt oi t s g o o ds p e c i f i c s t r e n g t ha n dm o d u l e s c o r r o s i o n p r o o f , g o o de l e c t r i ca n dt h e r n l a l c o n d u c t i v i t ya n de x c e l l e n tc a s t i n gc h a r a c t e r i s t i c 科曲t h eg r o w 抽2a p p l i c a t i o n so f c a s ta l u m i n u ma l l o yi na e r o s p a c e ，a u t o m o b i l ea n dm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ei n d u s t r y , t h es t r e n g t h e nm e t h o do fi t ss u r f a c ep r o p e r t i e sh a sn o wb e c o m ea nu r g e n tr e s e a r c h t h e m ei ns u r f a c ee n g i n e e r i n g a m o n gt h ev a r i o u ss u r f a c em o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t so fa l u m i n u ma l l o y , l a s e r s u r f a c ei r e a t m e n ti so n eo ft h ep r o m i s i n gc a n d i d a t et e c h n i q u e s h o w e v e r , s o m e d e f j c t ss u c ha sc r a c k p o r o s i t ya n ds oo n ，a c t u a l l yo c c u ri nt h eh a r da l l o y e dl a y e r , e s p e c i a l l yc r a c k d u et ot h es u d d e nc h a n g eo fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b e t w e e nl a s e rm o d i f i e dl a y e r sa n ds u b s t r a t e s t h i sr e s u l t si nt h ei n c r e a s e dt e n d e n c yt o s t r e s sc o n c e n t r a t i o ni nt h eb o n d i n gr e g i o n t or e d u c et h ed i f f e r e n c e so fp h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e nl a y e ra n ds u b s t r a t e ，f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tc o a t i n 2 ( f g c ) i sr e c e i v i n gm u c hi n t e r e s t i t i s d e s i g n e d 谢t 1 1ap r o g r e s s i v ee h a n g e i n c o m p o s i t i o n s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f m o d i f l e dl a y e r sa saf u n c t i o no f d i s t a n c ef r o m i n t e r f a c eb e t w e e nl a y e ra n ds u b s t r a t ea c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a rs e r v i c er e q u i r e m e n t i nt h i sp a d e r , t h es e q u e n t i a li a s e rm o d i f i c a t i o n sw e r eu s e dt op r e p a r en i ，w ca n d c r w cl a s e rm o d i f i e dg r a d l e n tl a y e r ( l m g ) o nt h es u r f a c eo fc a s ta t u m i n u ma t l o y f i r s to fa 1 1 b a s e do ns o m eh y p o t h e s i z e s ，t h em e t h o do ft h r e e d i m e n s i o n a ln o n l i n e a r n u m e r i c a la n a l y s i sa n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ( m a r c ) w e r eu s e dt o c a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h ep r o c e s so ft h ef i r s tl a s e rm o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t c o n s i d e r i n gt h es t a t ec h a n g eo ft h ep r e p l a c e dc o a t i n ga n dd i f f e r e n c e so ft l l et h e r n l a l p r o p e r t i e sb e t w e e nt h ep r e p l a c e dc o a t i n ga n dt h es u b s t r a t e t h e nt h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r so ft h ef i r s ts t e pi n 也ep r o c e s so fl a s e rm o d i f i e dg r a d i e n tl a y e rs u c ha s p o w e r ( p ) ，b e a md i a m e t e r ( d ) ，s c a n n i n gv e l o c i t y ( 垤) a n dt h i c k n e s so fp r e - c o a t e d 1 a y e rfh1 w e r ec o n f i r m e db yt h et e m p e r a t u r ef i e l d n i w c ( c r w c ) l a s e rm o d i f i e dg r a d i e n tf l m g ll a y e ro nt h es u r f a c eo f a la l l o y w a so b t a i n e db y3l a s e rm o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t s ，a n dt h ec o n t e n to fw cp a r t i c l ei nt h e 3p r e c l a d d e dl a y e r si n c r e a s e df r o m1o t o3 0 t h r o u g hs e m ，t e m ，e d x sa n d x r d t h em i c r o s t r u c t u r e s 也ed i s t r i b u t i o n so ft h ep r i n c i p a le l e m e n t sf o rt h el m g l a y e r sb yt h ed i f f e r e n tt i m e so f1 a s e rm o d i f i c a t i o nt r e a t m e n tw e r ea n a l y z e d s y s t e m i c a l l y t h er e s u l t ss h o w nt h a tn o to n l yi nt h es i n g l el a s e rm o d i f i e dc o a t i n gb u t a l s o i nt h el m gl a y e r sb ym u l t i p l el a s e rm o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t s t h e r ew e r e3 d i s t i n g u i s hz o n e s ：d e n d r i t i cz o n e ，e e l lz o n e ，a n dc o m p o u n dz o n e a n dt h ea r e ao f c o m p o u n dz o n ea n dt h ea m o u n t so fa 1 n io ra 1 c rc o m p o u n di nt h es u r f a c eo fl a s e r m o d i 矗c a t i o nl a y e rw o u l di n c r e a s ew h e n 也et i r u e so fl a s e rt r e a t m e n tc h a n g e df r o m1 3 i nn i w cl m gi a y e rb y3l a s e rt r e a t m e n t s t h ep r i n c i p l em i c r o s t r u c t u r e sw e r e d a l 、s i 、w c 、n ia n ds o m ea 1 - 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s ia l l o yh a db e e ni m p r o v e dr e m a r k a b l ya f t e ri tw a sm o d i f i e d a n dt h e s u r f a c eo ft h el m gl a y e rb y3l a s e rm o d i f i c a t i o n sh a dt h eb e s tr e s i s t a n c eo fw e a l a m o n g a l ll a s e rm o d i f i e dl a y e r s b e c a u s et h e r ew a st h ep m p e r t yd i s t r i b u t i o n ，t h eh i 秘 h a r d n e s ss u r f a c ea n dh i g ht o u g h n e s si n n e ri nt h el m g l a y e rb y3i a s e rm o d i f i c a t i o n s m et o u g h n e s so ft h em i c m s t r u c t u r e sb e l o wt h es u r f a c ei n c r e a s e dg r a d u a l l y t h e g r a d u a l l yi n c r e a s i n gt o u g h n e s sw o u l db l o c kt h ee x t e n s i o no ft h ec r a c k sw h i c h a p p e a r e df o r mt h es u r f a c eo fl m gi a y e rf i r s t l y s ot h ep r o p e r t i e 毒d i s t r i b u f i o nw o u l d i m g r o v et h ew e a rr e s i s t a n c eo f t h es u r f a c ei nl m gl a y e r s u s i n gt h ep o t e n t i o s t a t t h ep o l a r i z a t i o nc u r v e so nt h es u r f a c e so ft h ea l - s i i v 海交通 掌# 掌m * 文 擅要 s u b s t r a t ea n dl a s e rm o d i f i c a t i o nl a y e r sb yt h ed i f f e r e n tt i m e so fl a s e rt r e a t m e n th a d b e e nt e s t e d b a s e do nt h ed i f i e r e n c e so f b r e a k d o w np o t e n t i a l s ”o ft h es a m p l e s t h e e r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h el a s e rm o d i f i c a t i o n sl a y e r sw a sa n a l y z e d t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ee r o s i o nr e s i s t a n c eo f l a s e rm o d i f i e dl a y e r sw a sb e t t e rt h a i lt h a to f t l l e a 1 s ia l l o xs u b s t r a t e a n dn i w cl m gl a y e rb y31 a s e rm o d i f i c a t i o n sh a dt h eb e s t e r o s i o nr e s i s t a n c ei na l l1 a s e rm o d i f i e dl a y e r s m o r e o v e ri tw a sa l s of o u n dt h a ta d d i n g c e o ，c o u l di n c r e a s et h ea n o d i cp o t e n t i a lo fn i w cl a s e rm o d i f i e dg r a d t e n tl a y e r e r i e c t i v e h o nt h eo t h e rh a n d b e c a u s eo ft h em u c hi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sw i t h h i 出h a r d n e s s t h e r ew a st h el a r g e ri r m e r s t r e s si nt h es u r f a c ec r w cl a s e rm o d i f i e d g r a d i e n tl a x ，e r i tw o u l di n d u c et h ec r a c k si nt h es u r f a c eo fc r w cl m gl a y e r , a n d t h e yb r o u g h tt h es t r e s sc o r r o s i o n s ot h ee r o s i o nr e s i s t a n c eo fc r w cl m gi a y e rb v3 l a s e rt r e a t m e n t si sn o ta sg o o da st h ec r w cl m gl a y e rb y21 a s e rt r e a t m e n t s h o w e v e r a f t e rc e 0 2w a sa d d e di nc r w cl m gl a y e rb y31 a s e rt r e a t m e n t s ，c e 0 2 c o u l dp u r i f ) ，t h eg r a i nb o u n d a r y , i m p r o v et h es h a p e so fm i c r o s t m c t u r e ，r e l e a s et h e i n n e r s t r e s sa n da d v a n c et h es u r f a c eq u a l i t y t h e r e f o r ea d d i n g1 c e o ，i np r o c e s so f p r e p a r i n gc r w cl m go f31 a s e rt r e a t m e n t sw o u l db ee f f e c t i v et oi n c r e a s ei t se r o s i o n r e s j s t a n c e k e i w o r d s ：c a s ta i - s ia l l o y , l a s e rm o d i f i e dg r a d i e n tl a y e r , c e 0 2 ，t u n g s t e n c a r b i d e w e a rr e s i s t a n c e e r o s i o nr e s i s t a n c e v 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者躲也，影指剥雠：零询 日期：觚年t o 月翰日日期：1 以年f 2 月形日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴做储摊：扔 海交逼 掌博掌m 论文第一章* 论 第一章绪论 1 1 激光表面处理技术概述 1 9 6 0 年t m a i m a n 发明了第一台红宝石激光器，经历近十年的研究，于1 9 7 1 年出现了 ；g - - # n n n j ：j n ( 1 k w ) c 0 2 激光器【1 1 。随后激光器设各方面的发展非常迅速，激光器功 率也在不断地提高，目前己达到1 0 k w 以上。 随着人功率激光器的出现，激光表面处理技术是近年来迅速发展的项表面改性技术， 由于它在实际应用中显示出独特的优越性，而成为在冶金、电子、汽车和航天等行业中广泛 应用的表面改性方法1 。 激光表面改性的技术手段繁多，依据d s g n a n a m u t h u 的研究结果，激光表面改性可以 按照基底材料在激光束作用下达到的表面温度分为以下几种f 7 】： 加热熔化( m e l t i 激光表面合金化 激光表面菲晶化 激光相变硬化 激光化学气相沉积 激光物理气相沉积 一 再磊赢习i _ l 激光表面熔凝f i 激光冲击硬化广一 图1 1激光表面改性方法分类【7 1 f i g1 1c l a s s i f i c a t i o no f l a s e rs u r f a c e m o d i f i c a t i o n 【7 1 激光由于具有单色性、相干性、方向性，特别是高能量密度等四大特点【8 , 9 1 ，使得其在 、目前材料加一 中己扮演成一个极其重要的角色。这些特点也奠定了激光材料加工的物质条件 和理论基础，并且使激光材料加工由简单的打孔、切割发展到材料表面改性新技术的研究和 应用。从而出现了诸如激光相变硬化、激光表面熔覆、激光表面合金化、激光表面熔凝、激 光c v d 笛一系列新技术，使得激光材料加工出现了质的飞跃郾1 。 荷r 遣t 2 裹* 光* 梯度层n m 及性能研究 i i i 宣i i i i 盲i i i i i i i i i i i i 皇篁宣薯i i i i i i i i i i i i 蕾i 鲁皇宣蕾宣i i i 宣| i _ r 激光表面合金化是一种局部表面变质处理的材料加工新方法，它就是把添加的合金化元 素用真空蒸镀、电镀、沉积、涂覆和离子注入等方法将合金化元素或化合物粉末置于基体金 属材料的表面上，然后用大功率激光束辐照表面，使添加的合金化材料和基体表层同时达到 熔化程度，熔化了的合金化金属和基体金属同时处于熔池中，从而改变了基体金属表面的化 学成分永l 组织结构提高表层的硬度、耐磨性、耐蚀和抗高温氧化等性能1 0 - 1 9 1 。、 由于激光涂敷合金化技术的独特性，与传统的表面技术如电镀、热喷涂相比具有一些 优异的性能特点。4 ，5 】： ( 1 ) 冈加热和冷却速度都极快( 1 0 4 1 0 6 s ) ，可在基体表面形成一层晶粒细小、偏 析小的过饱和相、亚稳相，甚至非晶态相，具有很高的强度； ( 2 ) 可针对零件的需要在局部进行处理，也可在同一零件上不同部位形成不同成份的合 金层，满足零件工作时的具体要求，灵活性强； ( 3 ) 台金涂层与基体金属形成冶金结合，改性层的附着性好，在合金成份和激光工艺参 数合适情况下，界面无空隙裂纹产生； ( 4 ) 由于仅在熔化区和很小热影响区发生成份、组织和性能变化，对基体的热影响可减 小到最低限度，因而，所引起的基体变形较小： ( 5 ) 可在廉价的金属材料一无论碳钢、合金钢，还是有色金属及其含金表面，用少量台 金元素便可制造符合性能要求的改性表面来代替整体合金，可大大降低成本。 与其它高能柬如电子束、离子束注入制备改性层方法相比，除具有它们共同的特点外， 还具有独有的特点：与电子束相比，在材料上激光束不仅适用于金属材料，也可用于非金属 和高分子材料，加一l 环境不必限于真空：激光束干净、无电子束的x 射线污染，能长期运行。 与离子束注入相比，激光束的生产效率大大高于离子束，改性层厚度范围、成份及种类、零 件几何形状也比离子注入要广得多。综上所述，激光表面熔敷与合金化技术无论与传统表面 涂层技术还是与新兴的表面技术相比，都显示其独特的优点【1 9 , 2 3 ，在应用前景上必将显示 出强大的生命力。 激光表面合金化常见的合金粉末体系有：f e 基、n i 基、c o 基和f e c r - m n c 复合粉末等， 基体材料多见碳钢、铸铁和不锈钢等2 0 0 ”。 尽管激光表面合金化技术在工业方面的应用研究经历了较长的时期，并对许多体系进行 了全面细致的研究，但将激光表面合金化技术应用于铝合金表面增强领域中研究工作无论在 国内还是国际上都处于起步阶段【”。铝合金是工业上使用最多的有色金属材料之一，但因其 强度和硬度相对钢材较低，大大限制了其应用。铝合金通常的强化手段，如在整体合金化方 2 海奠通 掌博_ 士掌m 论文 第一章i 一 面，己生产出了便铝和超硬铝合金。但是考虑到强韧性的配合，整体的强度、硬度的提高有 一定的限度，因为过高的硬度会带来严重的脆性，因此作为结构件合金铝的最高硬度也只能 是2 0 0 3 0 0 h v 左右p j 。 目前，根据报导，对于在铝上添加n 、s i 、f e 、c u 、c r 、b 、t j 、c o 、m n 、t a 、n b 、 m o 、w 、f e + c u 、n i + c