zm5铸造镁合金激光表面修复与强化

ZM5铸造镁合金激光表面修复与强化,学生：,报告内容,课题研究背景及意义课题研究内容及方案试验结果及讨论 结论,课题研究背景及意义,镁合金的应用,镁合金是一种极其轻质的工程结构金属材料，具有比强度高、比刚度大、可浇性好和可回收利用等优点，被誉为“21世纪绿色结构材料”而广泛用于航空航天、国防军工、交通运输和电子仪器等领域。,课题研究背景及意义,铸造镁合金的局限性,易产生铸造缺陷服役温度低，耐热性差,课题研究背景及意义,目前，铸造镁合金存在的问题还不能很好解决，需要进行修复和表面强化。激光表面改性：功率密度高、补焊或熔覆变形小且热影响区窄添加稀土元素：去氧除氢、提高铸造流动性、强化合金性能,本课题采用光纤激光堆焊修复ZM5镁合金铸件的表面缺陷，并向堆焊涂层中添加稀土元素Gd，研究其对组织和性能的影响，为铸造镁合金激光表面修复与强化提供新思路。,铸造镁合金的修复与强化,课题研究内容及方案,ZM5铸造镁合金激光堆焊的工艺研究ZM5铸造镁合金激光堆焊涂层的组织与性能Gd对ZM5铸造镁合金激光堆焊涂层的影响,课题研究内容及方案,激光堆焊试验平台,课题研究内容及方案,试验材料与方法,激光堆焊的工艺研究,堆焊工艺试验,调控工艺参数离焦量焊接速度激光功率送丝速度,离焦量为0 mm时熔深最大，随着离焦量的增加，焊缝宽度增大、熔深减小，稀释率减小、焊道表面交角增大；随着离焦量的增加，焊道弧坑未填满和弧坑裂纹等缺陷倾向减弱；离焦量为+20 mm时匙孔型深熔焊转变为浅熔深的热导焊，有利于堆焊修复，且熔深变浅，焊缝的气孔倾向降低。,离焦量对焊缝成形的影响规律,激光堆焊的工艺研究,焊接速度的增大，稀释率和焊道表面交角都会增大；焊接速度0.8 m/min时，焊道稀释率超过0.65，能量过多消耗在母材；兼顾稀释率和堆焊工作效率，选择0.5 m/min的焊接速度。,焊接速度对焊缝成形的影响规律,激光堆焊的工艺研究,激光功率、送丝速度对焊缝成形的影响规律,激光堆焊的工艺研究,送丝速度一定，随着激光功率增加，稀释率和焊道表面交角逐渐增大；激光功率一定时的变化规律则相反，稀释率和焊道表面交角随着送丝速度增大而减小；调控工艺参数激光功率、送丝速度，补焊焊缝稀释率和焊道表面交角之间可以大致看成线性相关变化，即稀释率越大，焊道表面交角越大；稀释率越小，焊道表面交角越小。,激光功率、送丝速度对焊缝成形的影响规律,激光堆焊的工艺研究,激光功率、送丝速度对焊缝成形的影响规律,激光堆焊的工艺研究,堆焊外观,双层多道,单层多道,三层多道,堆焊工艺试验优化参数,激光堆焊的工艺研究,激光堆焊气孔缺陷及措施,Mg+H2OMgO+2H2HH2,氢来源：保护气中水分、空气中水蒸汽、表面氧化膜吸附水分,氧化膜气孔 氢气孔 匙孔型气孔,激光堆焊的工艺研究,离焦量增大，焊道成形从匙孔型焊缝逐渐转变为热熔焊缝，熔深变浅而缩短了熔池中气体逸出的距离，更有利于气体逸出，而且减少了因匙孔塌缩形成的根部气孔，从而使得气孔率降低；焊接速度的增大，气孔率逐渐升高，这是由于焊接速度增大，熔池冷却速度加快，熔池中气体有效逸出时间缩短，从而导致气孔率增大；最佳的工艺参数为离焦量+20 mm、焊接速度为0.5 m/min。,激光堆焊气孔缺陷及措施,激光堆焊的工艺研究,严格的表面清理（机械清理、丙酮擦洗）适当较慢的焊接速度较大的正离焦量,激光堆焊气孔缺陷及措施,激光堆焊的工艺研究,激光堆焊的工艺研究,采用正离焦量，激光堆焊焊缝熔深减小、稀释率降低，有利于镁合金铸件缺陷的修复。随着焊接速度的增大，稀释率和焊道表面交角均会增大。兼顾焊缝成形质量要求和堆修复工作效率，存在最佳的焊接速度工艺范围。调控激光功率、送丝速度，稀释率和焊道表面交角之间线性变化规律为：稀释率越大，焊道表面交角越大。ZM5铸造镁合金光纤激光表面堆焊的最佳工艺参数为离焦量+20 mm、焊接速度0.5 m/min、激光功率2300 W、送丝速度3.4 m/min、保护气流量15 L/min。,母材金相照片 焊缝金相照片,堆焊涂层晶粒平均直径约1317 m，远小于母材晶粒直径6080 m,激光堆焊涂层的组织与性能,激光堆焊涂层组织,熔合线焊缝中心：平面晶、胞状晶和柱状树枝晶等轴树枝晶基体-Mg相，枝晶间析出-Mg17Al12相，沿晶间分布的富Al的-Mg区,激光堆焊涂层的组织与性能,激光堆焊涂层组织,熔合线硬度最高，可达89 HV焊缝硬度7380 HV母材硬度最低，平均至为68 HV尽管ZM5铸造镁合金母材经过固溶处理，但未经热处理的焊缝硬度仍高于母材，这是由于焊缝区的铸态组织等轴树枝晶的晶粒尺寸细小，且枝晶间析出的-Mgl7Al12相分布弥散，因而焊缝区的硬度值较高。,激光堆焊涂层显微硬度,激光堆焊涂层的组织与性能,激光堆焊涂层拉伸强度,激光堆焊涂层的组织与性能,激光堆焊涂层的平均抗拉强度为245 MPa，平均延伸率达到9.0%，而母材的平均抗拉强度为218 MPa，平均延伸率为6.6%；ZM5镁合金激光堆焊涂层力学性能优于母材。,激光堆焊涂层拉伸性能,激光堆焊涂层的组织与性能,激光堆焊涂层拉伸断口,激光堆焊涂层的组织与性能,(a),(b),母材的拉伸断口形貌存在很多解理裂纹和具有河流状花样的解理面，解理面之间有明显的撕裂台阶（即准解理的撕裂棱）ZM5 铸造镁合金母材的断裂模式为准解理断裂,激光堆焊涂层拉伸断口,激光堆焊涂层的组织与性能,(c),(d),激光堆焊涂层的拉伸断口中存在很多小的解理面和韧窝微孔，高倍放大像（如图3-30d所示）显示小的解理面之间也存在撕裂台阶涂层的断裂模式为准解理与局部韧性断裂的混合断裂机制,激光堆焊涂层的组织与性能,ZM5铸造镁合金激光堆焊涂层的晶粒尺寸范围为1317 m，约为母材晶粒平均直径的1/4。激光堆焊焊缝显微组织主要为等轴树枝状晶，晶内为-Mg相，在枝晶间有不连续的-Mg17Al12 第二相析出。ZM5铸造镁合金激光堆焊焊缝显微硬度、抗拉强度和延伸率均高于母材。ZM5铸造镁合金母材拉伸断口呈准解理断裂特征，而激光堆焊涂层拉伸断口为准解理和局部韧窝的混合型断口。,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层,研究Gd元素对ZM5铸造镁合金激光堆焊涂层组织和性能的影响规律在ZM5铸造镁合金表面预置Mg-xGd合金薄片，然后采用激光堆焊制备Mg-Al-xGd涂层,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-组织分析,涂层 A0.00% Gd涂层 B2.28% Gd,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-组织分析,涂层 C4.87% Gd涂层 D7.51% Gd,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-组织分析,基体相-Mg + 共晶相-Mg17Al12 + 新的方块状颗粒相随着添加Gd含量的增加，枝晶间网状共晶相逐渐断网、细化，新的方块状颗粒相逐渐增多堆焊涂层平均晶粒直径从13.5 m减小至4.8 m,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-组织分析,涂层 A0.00% Gd涂层 C4.87% Gd,涂层 B2.28% Gd涂层 D7.51% Gd,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-第二相表征,颗粒相中Mg元素大大减少，而Al元素和Gd元素明显富集颗粒相主要组成元素为Al元素和Gd元素，Al/Gd原子比约为1.93：1,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-第二相表征,方块颗粒相为Al2Gd，空间结构Fd-3m (227)，晶格常数7.900 ,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-第二相表征,晶界共晶相的EDS分析元素组成为77.83 1.53 Mg和22.17 1.53 Al（原子分数%），Mg/Al平均原子比约为3.51：1，与XRD结果不符,(a),(b),明场像 SAED选区,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-第二相表征,基体相为-Mg相，Mg-Al共晶相为-Mg17Al12，晶格常数10.560 ,基体相的衍射斑点 共晶相的衍射斑点,(c),(d),Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-第二相表征,电负性差值大+高熔点（1525）Al2Gd相首先生成Al原子相对Gd原子过量，且Al2Gd相形成温度远高于镁合金熔池冷却凝固温度，因此可以认为几乎所有的Gd原子都用来生成Al2Gd相,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-第二相表征,继续冷却，-Mg相（650）开始沿着或围绕Al2Gd颗粒相形核结晶剩余Al原子在液相中富集而发生共晶反应：L -Mg + -Mg17Al12一部分Al原子固溶进入基体-Mg相中而形成Mg-Al富集区域,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-显微硬度,激光堆焊涂层的显微硬度明显高于ZM5铸造镁合金母材Gd元素含量从0.00 wt.%增加至7.51 wt.%，显微硬度平均值从75.8 HV提高至78.3 HV，添加Gd元素对激光堆焊涂层的硬度提升效果有限,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,25200,100300,(a),(b),(c),(d),激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-拉伸性能,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-拉伸性能,拉伸温度，屈服强度和抗拉强度，延伸率，屈强比Gd元素含量，屈服强度和抗拉强度，延伸率，屈强比 = ,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,(a),(b),(c),激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-断口观察,含0.00 wt.% Gd的涂层A，25拉伸断口断口宏观上存在很多弥散的微孔，微观上存在很多小的准解理面和撕裂棱，以及拉伸过程中产生的微小裂纹断裂模式为微孔聚集型断裂，并伴有准解理断裂特征,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,(d),(e),(f),激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-断口观察,含7.51 wt.% Gd的涂层D，25拉伸断口宏观上有明显的脆性断裂和解理断裂的特征，微观上也存在一些微小的准解理面、撕裂棱以及拉伸微裂纹断裂模式为宏观脆性解理断裂，并带有少量的微观准解理断裂特征,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,(a),(b),激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-断口观察,含0.00 wt.% Gd的涂层A，300拉伸断口宏观上呈明显的塑性断裂特征，存在非常多的韧窝和撕裂棱撕裂棱之间存在韧性网，韧窝内壁存在蛇形滑移,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,(c),(d),激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-断口观察,含0.00 wt.% Gd的涂层A，300拉伸断口拉伸断口上存在再结晶晶粒和重熔痕迹高温促进再结晶，拉伸过程中产生局部颈缩和微熔化而加速断裂失效,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,(e),(f),激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-断口观察,含7.51 wt.% Gd的涂层D，300拉伸断口宏观上也存在很多细小的韧窝和撕裂棱拉伸断裂模式从室温脆性断裂逐渐转变为高温延性断裂,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,(g),(h),激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-断口观察,含7.51 wt.% Gd的涂层D，300拉伸断口微观上没有观察到再结晶晶粒和局部重熔添加Gd元素能够防止激光堆焊涂层高温服役的软化问题,Gd元素对激光堆焊涂层的影响, = + , - 屈服强度 -移动单个位错产生的晶格摩擦阻力 -与材料本身性质有关的常数 平均晶粒直径,霍尔-佩奇公式,激光堆焊Mg-Al-xGd涂层-强化作用,细晶强化,第二相强化,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,添加Gd 元素后激光堆焊涂层组织为基体-Mg相，枝晶间的条状-Mg17Al12相、晶内和晶界的细小的方块形Al2Gd颗粒相，晶粒尺寸进一步细化。300下，添加7.5 wt.% Gd 元素激光堆焊涂层屈服强度和抗拉强度分别为53.6 MPa 和88.0 MPa，均高于未添加Gd元素的激光堆焊涂层。添加Gd元素能抑制低熔共晶相析出，且Al2Gd具有第二相强化作用；未添加Gd 激光堆焊涂层高温拉伸断口中存在局部晶界熔化，而添加Gd 元素后拉伸断口则没有观察到类似的晶界熔化。,Gd元素对激光堆焊涂层的影响,Hong Chen, Ke Zhang, Chengwu Yao, Jie Dong, Zhuguo Li. Effect of A