CN109536950A

CN109536950A - 一种通过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的复合粉末

Info

Publication number: CN109536950A
Application number: CN201811515387.9A
Authority: CN
Inventors: 刘光磊; 陈金豪; 庄栋栋; 魏笑; 孙婕; 刘海霞
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-03-29

Abstract

本发明公开了一种通过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的复合粉末，属于铝合金激光熔覆制备技术领域，其化学成分按质量百分比计算，Cr为13～18％、Si为3～5％、Ti为2～3％、B为2～3％、Y2O3为3～4％、CeO2为3～4％、La2O3为2～3％、Nd2O3为1～2％、Co为1～3％、C为0.5～0.8％、Mn为0.5～0.8％、SrO为0.1～0.3％、Fe为2～8％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为10～30min，粉末粒度150～400目，形状为球形或近球形。激光熔覆处理时，采用本发明复合粉末能明显提高铝合金的热疲劳性能。

Description

一种通过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的复合粉末

技术领域

本发明属于铝合金激光熔覆制备技术领域，特指一种通过激光熔覆处理以提高铝合金热疲劳性能的复合粉末。

背景技术

热疲劳是处于交变温度或热循环环境下服役装备和材料的重要失效形式之一。非室温工作设备在稳态运行、起动停车或工况突变时都将受到热疲劳或热机械疲劳损伤，潜在危险性极大，一旦发生事故往往是灾难性的。铝合金作为当前首选的轻质材料，在航天、航空、汽车、机械制造、船舶及化学工业等领域均有广泛应用。但由于铝合金材料自身耐热性较差，如何提高铝合金材料的热疲劳性能俨然成为科学家研究的热点。

当前，国内外学者在提高铝合金材料热疲劳性能方面进行了大量研究，发现绝大多数疲劳裂纹往往在材料表面或近表面位置萌生和扩展。为此，研究者们试图在材料表面制备一层高强度耐热涂层以提高铝合金的热疲劳性能，目的是降低材料表面萌生裂纹的可能性，减少成本、节约资源。传统制备涂层的方法主要是焊接和喷涂。焊接方式包括堆焊和等离子喷焊，可以将涂层与基体间形成冶金结合，但热输入较大，过大的热影响区导致铝合金基体受损甚至发生变形。喷涂方式包括热喷涂和冷喷涂，主要缺点是涂层与基体间的结合强度不够，导致铝制品运行时涂层容易剥落。随着激光快速成形技术的迅猛发展，激光熔覆登上了修复与再制造技术的历史舞台。与上述传统技术相比，展示了熔覆材料几乎不受限制、熔覆层与基材呈冶金结合且稀释率低、修复区域不受限制、易实现自动化等独特优势。2007年，美国H&R技术公司就采用激光熔覆技术对GE-T700整体叶盘进行修复，并进行了50000次60000rpm的低周疲劳试验性能测试，验证了激光熔覆修复质量，在当时引起了强烈反响。为了充分提高铝合金的热疲劳性能，通常选择Ni基、Co基合金粉末作为熔覆材料，其在熔点、膨胀系数、润湿性、吸光率等方面与基体材料存在较大的差距，导致在熔覆层与基材结合处(简称结合区)极易形成粗大柱状晶且存在较多的气孔，削弱了激光熔覆的表面强化作用。因此，寻求与铝合金材料熔覆结合性能更好的粉末材料一直是人们关注的重点。

本发明开发出一种通过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的复合粉末。

发明内容

本发明开发出一种通过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的复合粉末，其化学成分按质量百分比计算，Cr为13～18％、Si为3～5％、Ti为2～3％、B为2～3％、Y₂O₃为3～4％、CeO₂为3～4％、La₂O₃为2～3％、Nd₂O₃为1～2％、Co为1～3％、C为0.5～0.8％、Mn为0.5～0.8％、SrO为0.1～0.3％、Fe为2～8％、余量为Ni。

将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为10～30min。粉末粒度150～400目，形状为球形或近球形，即可获得复合粉末。

上述用于通过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的复合粉末，化学成分按质量百分比计算优选范围为：Cr为15～16％、Si为3.5～4.5％、Ti为2.5～3％、B为2～2.5％、Y₂O₃为3.5～4％、CeO₂为3～3.5％、La₂O₃为2～2.5％、Nd₂O₃为1.5～2％、Co为1～2％、C为0.5～0.6％、Mn为0.6～0.8％、SrO为0.1～0.2％、Fe为4～6％、余量为Ni。

将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min。粉末粒度250～350目，形状为球形时，该复合粉末经过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的程度最佳。

本发明属于辅以多种合金元素的Ni基复合粉末材料，与现有市售Ni基粉末相比，一方面粉末之间熔合性、流动性更好，减低了激光熔覆工艺方面的要求；另一方面在熔覆过程中，粉末中元素与基体铝合金发生净化、细化和变质作用，能够充分净化熔体、细化晶粒、减少气孔，而起到强化熔覆层和结合区的作用，可显著提高熔覆层和结合区的韧性、强度，从而提高铝合金材料的热疲劳性能。

附图说明

图1热疲劳试样尺寸。

具体实施方式

本发明激光熔覆试验采用光纤激光器，同轴送粉，激光功率为1200～1800W，光斑直径3～5mm，扫描速度300～450mm/min，搭接率50％，送粉速度8～12g/min。本发明热疲劳实验在LRP1200型冷热疲劳试验机上进行，所用试样为长度方向端面带有预制V型缺口的长方体，如图1所示。热疲劳实验所用试样要先进行机械抛光，然后在光学显微镜(OM)下观察，选用缺口区域无裂纹和气孔等缺陷的试样进行热疲劳实验。实验条件均为室温、大气环境。循环温度为室温至300℃和室温至400℃两种。加热过程采用设时控制，到最高温度后保温120s，用电位差计对加热炉进行校温，所测得的温度误差范围为±2℃；冷却过程使用循环冷却水，试样入水深度为(12±1)mm，在水中时间为15s。加热、冷却各一次是完成一个循环，循环次数记为1次。以裂纹生长长度为0.1mm时循环计数终止，此时的循环次数表示为相应的热疲劳性能。试验过程中，每循环一定次数便取出试样，通过光镜和扫描电镜观察V型缺口处裂纹生长情况并测量裂纹长度。

实施例1

待激光熔覆的基体铝合金材料选择市售的A356合金。所用复合粉末化学成分按质量百分比计算，Cr为13％、Si为3％、Ti为2％、B为2％、Y₂O₃为3％、CeO₂为3％、La₂O₃为2％、Nd₂O₃为1％、Co为1％、C为0.5％、Mn为0.5％、SrO为0.1％、Fe为2％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合的时间为10min。粉末粒度250～400目，形状为球形或近球形。然后按如上具体实施方式对A356合金进行激光熔覆处理，并采用线切割的方法制备成热疲劳试样，最后进行热疲劳实验得到该合金的热疲劳性能如表1所示。

实施例2

待激光熔覆的基体铝合金材料选择市售的A356合金。所用复合粉末化学成分按质量百分比计算，Cr为18％、Si为5％、Ti为3％、B为3％、Y₂O₃为4％、CeO₂为4％、La₂O₃为3％、Nd₂O₃为2％、Co为3％、C为0.8％、Mn为0.8％、SrO为0.3％、Fe为8％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合的时间为30min。粉末粒度150～300目，形状为球形或近球形。然后按如上具体实施方式对A356合金进行激光熔覆处理，并采用线切割的方法制备成热疲劳试样，最后进行热疲劳实验得到该合金的热疲劳性能如表1所示。

实施例3

待激光熔覆的基体铝合金材料选择市售的A356合金。所用复合粉末化学成分按质量百分比计算，Cr为15％、Si为3.5％、Ti为2.5％、B为2.5％、Y₂O₃为4％、CeO₂为3％、La₂O₃为2％、Nd₂O₃为1.5％、Co为1％、C为0.5％、Mn为0.6％、SrO为0.1％、Fe为4％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合的时间为20min。粉末粒度250～350目，形状为球形。然后按如上具体实施方式对A356合金进行激光熔覆处理，并采用线切割的方法制备成热疲劳试样，最后进行热疲劳实验得到该合金的热疲劳性能如表1所示。

实施例4

待激光熔覆的基体铝合金材料选择市售的A356合金。所用复合粉末化学成分按质量百分比计算，Cr为16％、Si为4.5％、Ti为3％、B为2％、Y₂O₃为3.5％、CeO₂为3.5％、La₂O₃为2.5％、Nd₂O₃为2％、Co为2％、C为0.6％、Mn为0.8％、SrO为0.2％、Fe为6％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合的时间为20min。粉末粒度250～350目，形状为球形。然后按如上具体实施方式对A356合金进行激光熔覆处理，并采用线切割的方法制备成热疲劳试样，最后进行热疲劳实验得到该合金的热疲劳性能如表1所示。

对比例1

铝合金材料选择市售的A356合金。采用线切割的方法制备成热疲劳试样，最后进行热疲劳实验得到该合金的热疲劳性能如表1所示。

对比例2

待激光熔覆的基体铝合金材料选择市售的A356合金。所用粉末为市售的Ni60粉末，其化学成分按质量百分比计算，Cr为15.5％、Si为4％、B为3％、C为0.8％、Fe为10％、余量为Ni。将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合的时间为20min。粉末粒度250～350目，形状为球形。然后按如上具体实施方式对A356合金进行激光熔覆处理，并采用线切割的方法制备成热疲劳试样，最后进行热疲劳实验得到该合金的热疲劳性能如表1所示。

通过表1可以看出：与对比例1相比，在循环温度为室温至300℃时，经过本发明的复合粉末激光熔覆处理的铝合金的热疲劳性能得到大幅度提高，提升程度超过20％。若采用的复合粉末为优化成分进行激光熔覆处理，其热疲劳性能提升可超过26％。而当循环温度变为室温至400℃时，铝合金热疲劳性能提升作用更加显著，可以超过65％。说明极大地提高了铝合金在更高上限温度下的疲劳寿命。

与对比例2相比，由于本发明的复合粉末激光熔覆处理后熔覆层和结合区的组织更细小均匀，熔覆层与基体的结合强度更高，其热疲劳性能仍优于现在市面上的Ni基粉末。在循环温度为室温至300℃时，可以提升热疲劳性能10％左右。在循环温度变为室温至400℃时，可以提升热疲劳性能40％左右。

总之，本发明专利提出的复合粉末通过激光熔覆处理可以显著提高铝合金的热疲劳性能。

表1不同工艺制备铝合金的热疲劳性能

Claims

1.一种通过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的复合粉末，其特征在于其化学成分按质量百分比计算，Cr为13～18％、Si为3～5％、Ti为2～3％、B为2～3％、Y₂O₃为3～4％、CeO₂为3～4％、La₂O₃为2～3％、Nd₂O₃为1～2％、Co为1～3％、C为0.5～0.8％、Mn为0.5～0.8％、SrO为0.1～0.3％、Fe为2～8％、余量为Ni。

2.权利要求1所述的一种通过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的复合粉末的制备方法，其特征在于将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为10～30min；粉末粒度150～400目，形状为球形或近球形，即可获得复合粉末。

3.根据权利要求1所述的一种通过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的复合粉末，其特征在于其化学成分按质量百分比计算优选范围为：Cr为15～16％、Si为3.5～4.5％、Ti为2.5～3％、B为2～2.5％、Y₂O₃为3.5～4％、CeO₂为3～3.5％、La₂O₃为2～2.5％、Nd₂O₃为1.5～2％、Co为1～2％、C为0.5～0.6％、Mn为0.6～0.8％、SrO为0.1～0.2％、Fe为4～6％、余量为Ni。

4.权利要求3所述的一种通过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的复合粉末的制备方法，其特征在于将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为20min；粉末粒度250～350目，形状为球形时，该复合粉末经过激光熔覆处理提高铝合金热疲劳性能的程度最佳。