CN114481118A

CN114481118A - 一种大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法

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Publication number: CN114481118A
Application number: CN202111547174.6A
Authority: CN
Inventors: 任欣; 祝弘滨; 折洁; 王行涛; 刘昱; 龚明
Original assignee: CRRC Academy Co Ltd
Current assignee: CRRC Industry Institute Co Ltd
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2041-12-16
Also published as: CN114481118B

Abstract

本发明公开了一种大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法。该方法采用Al‑Mg‑Sc‑Zr高强铝合金粉末，结合同轴送粉激光熔覆工艺技术及表面清洗技术，通过优化激光功率、扫描速度、送粉速率及搭接率等工艺参数，在大气环境下利用合理工艺参数对铝合金基板预制槽进行多道多层的激光熔覆修复，使修复件强度达到原基板材料的80～90％，截面气孔率<1％，且熔覆区氧含量<5％，大幅提升铝合金零部件的性能和使用寿命。

Description

一种大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法

技术领域

本发明涉及高强铝合金零件修复技术，具体涉及一种在大气环境下可控制缺陷的激光熔覆修复铝合金的方法。

背景技术

轨道交通装备轻量化是现代列车高速运行的必备条件。铝合金因具有比重小、比强度大、耐蚀性好、低温性能好等众多优点，常被作为结构材料在轨道列车车体中大量应用。轨道列车零件在使用过程中容易产生应力开裂、机械磨损等情形，在制造过程中也会因误加工引起缺陷，这些缺陷的存在将显著影响整个工程构件的使用性能，甚至导致报废，从而造成巨大的经济损失。

面对这种情况，人们对修复技术做了大量的研究，如激光熔覆、焊接、钨极氩弧堆焊和热喷涂等。而激光熔覆修复技术以其质量高、操作方便、热影响区小等优点受到人们的普遍关注。目前，人们对激光熔覆技术用作修复和表面改性等方面做了大量研究，但是大都集中在钢铁材料、高温合金和钛合金领域。而铝合金在激光熔覆过程中极易氧化，通常需要在具有惰性气体保护的空间内进行，这大大限制了大型复杂铝合金零部件的激光熔覆修复。铝合金因自身的高导热性和对激光的高反射性使其对采用激光加工受限，研究对象多集中于铸造铝合金，且熔覆材料多为与铝合金不同的异质基合金粉末，如铁基合金、镍基合金及钴基合金，以获得耐磨、耐蚀、硬度较高的熔覆层。但铝合金与异质合金材料在熔点、热膨胀及热传导等物理性能方面存在较大差异。如铝合金熔点较低，仅为660℃，而铁基合金粉末熔点超过1000℃，且铁和铝之间的亲和性较差，在高温下容易导致铝制基体出现崩塌、蒸发、烧损以及高稀释率等问题。

发明内容

本发明提供一种大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，该方法采用Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末，结合同轴送粉激光熔覆工艺技术及表面清洗技术，通过优化激光功率、扫描速度、送粉速率及搭接率等工艺参数，实现在大气环境下对铝合金的激光熔覆修复。

一种大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，包括：

1)清洗待修复的铝合金，以去除所述铝合金表面上待修复区域的油污和氧化膜；

2)以Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末为修复材料，采用同轴送粉激光熔覆工艺对步骤1)清洗后的铝合金进行修复。

进一步地，所述Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末由以下组分组成：Mg：4～10wt％；Sc：0.1～0.6wt％；Zr：0.1～0.3wt％；Si：0.4～0.8wt％；Mn：0.4～0.8wt％；Al：余量。

进一步地，所述Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末由以下组分组成：7.70-8.50wt.％Mg；0.30-0.60wt.％Sc；0.50-0.80wt.％Si；0.15-0.35wt.％Zr；0.45-0.50wt.％Mn；余量Al。

在一些实施例中，所述Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末为以下任一种：

(1)8.49wt.％Mg；0.56wt.％Sc；0.54wt.％Si；0.25wt.％Zr；0.48wt.％Mn；余量Al；

(2)7.70wt.％Mg；0.33wt.％Sc；0.63wt.％Si；0.33wt.％Zr；0.48wt.％Mn；余量Al；或

(3)9.24wt.％Mg；0.33wt.％Sc；0.78wt.％Si；0.15wt.％Zr；0.50wt.％Mn；余量Al。

本发明人研究发现，在对铝合金修复时采用上述高强铝合金粉末能够实现在大气环境下可以控制铝合金组织缺陷

进一步地，所述Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末的粒径为53～150μm。

进一步地，在激光熔覆前，还包括对Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末进行干燥处理的步骤。在一些实例中，可采用真空干燥箱进行干燥。

氢在铝合金中的溶解度随着铝合金熔体的凝固极速下降，导致气体来不及逸出而形成气孔缺陷。本发明通过优化激光熔覆工艺参数，结合表面清洗技术等手段达到控制气孔、优化性能的作用。

进一步地，同轴送粉激光熔覆工艺中，激光束特征及工艺参数如下：修复氛围：大气环境；光束分布：高斯分布光束；光斑直径：1～1.5mm；保护气流量：20～30L/min；熔覆头抬升量：0.3～0.5mm。

进一步地，同轴送粉激光熔覆工艺的参数如下：激光功率：1700～1800W；扫描速度：400～600mm/min；送粉速率：2～4g/min；搭接率：50％。

本发明方法在大气环境下，通过单道熔覆道的表面形貌、宽度、高度及金相组织，缩小激光熔覆工艺范围。

进一步地，清洗待修复的铝合金的方法包括机械工具除锈、喷砂除锈及激光表面清洗中一种或多种方法的组合。

进一步地，所述激光表面清洗的工艺参数：脉冲激光波长：1.064μm；激光平均功率：70～100W；扫描线宽：20～30mm；脉冲重复频率：70～100kHz；清洗速度：0.3～0.6m/min。研究发现，在该条件下进行清洗可以在不损伤基材及熔覆区域表面的基础上，有效去除表面氧化膜，避免影响下一步激光熔覆的质量。

本发明人研究发现，通过对待修复的铝合金清洗以去除所述铝合金表面上待修复区域的油污和氧化膜，可以有效减少在激光熔覆铝合金过程中气孔缺陷的形成。

进一步地，每修复一层后，清洗去除修复层表面的氧化膜后，再继续进行修复，直至修复完成。具体可采用激光表面清洗方法清洗去除修复层表面的氧化膜，具体工艺参数同上。

在一些实例，采用激光+惰性气体模式的激光清洗机对表面氧化膜进行清洗。

进一步地，还包括对修复后的铝合金(尤其是7系铝合金)进行时效热处理。研究发现，时效热处理可以有效提高修复后7系可热处理强化铝合金的力学性能。

在一些实例中，时效热处理的参数为110-130℃×20-28h，例如120℃×24h。

进一步地，所述铝合金包括铸造铝合金、5系铝合金、7系铝合金，尤其适用于5系铝合金和7系铝合金。

在一些实例中，5系铝合金包括5083-H112合金。

在一些实例中，7系铝合金包括7B05-T5合金。

本发明方法利用优化合理的激光熔覆工艺参数对5系、7系铝合金预制槽进行多道多层激光熔覆修复，被修复件强度达到原基板材料的80～90％，截面气孔率<1％，且熔覆区氧含量<5％，大幅提升铝合金零部件的性能和使用寿命。

本发明的有益效果至少包括以下之一：

①铝合金在激光熔覆过程中极易氧化，影响激光熔覆成形及修复件的性能，通常需要在惰性气体保护的空间内进行，大大限制了大型复杂结构铝合金零部件的激光熔覆修复。本发明所述方法结合表面清洗技术，实现了在大气环境下铝合金的激光熔覆修复，为大型复杂结构铝合金零部件的修复提供了可行性，且可操作性灵活，具有较高的经济效益。

②由于氢在铝合金中的溶解度随着铝合金熔体的凝固极速下降，导致气体来不及逸出而形成气孔缺陷。且熔覆材料Al-Mg-Sc-Zr合金粉末中Mg含量较高，该元素在高能激光照射下也易挥发形成气孔。本发明所述方法结合Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，通过优化调控激光熔覆工艺参数，可使修复件强度达到原基体材料的80～90％，截面气孔率<1％，且熔覆区氧含量<5％，大幅提升铝合金零部件的性能和使用寿命。

附图说明

图1：本发明实施例激光熔覆修复方法流程示意图。

图2：本发明实施例1中激光熔覆修复5083-H112合金基板预制槽的金相组织。

图3：本发明实施例2中激光熔覆修复7B05-T5合金基板预制槽的金相组织。

图4：本发明实施例3中激光熔覆修复7B05-T5合金基板预制槽的金相组织。

图5：对比例1中激光熔覆修复5083-H112合金基板预制槽的金相组织。

图6：对比例2中激光熔覆修复7B05-T5合金基板预制槽的金相组织。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和效果能够充分体现和更容易理解，下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。所述实施例并不构成对本发明的限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以下实施例激光熔覆修复方法流程可参见图1。

以下待修复铝合金均选择无缺陷轧制板材，并采用线切割方式在板材中间制备具有相同尺寸的预制槽，作为预制槽基板。

实施例1

采用激光熔覆技术对5083-H112铝合金基板预制槽进行修复，所述基板合金成分及对应室温力学性能如表1所示。在激光熔覆前，对基板材料表面油污进行清洗，并采用钢丝刷去除预制槽及其附近基板材料表面氧化膜。熔覆材料选择粒径为53～150μm的Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金球形粉末，按质量百分比，其由以下组分组成：8.49wt.％Mg；0.56wt.％Sc；0.54wt.％Si；0.25wt.％Zr；0.48wt.％Mn；余量Al。在激光熔覆前，采用真空干燥箱对其进行80℃×10h干燥处理。

激光熔覆所用激光束特征及修复工艺参数：修复氛围：大气环境；光束分布：高斯光束；光斑直径：1.2mm；保护气流量：20L/min；熔覆头抬升量：0.3mm；激光功率：1700W；扫描速度：600mm/min；送粉速率：4g/min；搭接率：50％。

每修复一层，采用激光+惰性气体模式的激光清洗机对表面氧化膜进行清洗。循环往复直至完成铝合金基板预制槽的修复。激光表面清洗工艺参数：脉冲激光波长：1.064μm；激光平均功率：70W；扫描线宽：20mm；脉冲重复频率：70kHz；清洗速度：0.3m/min。

图2为激光熔覆修复5083-H112合金基板预制槽的金相组织，该修复件的室温强度见表1。修复件的室温强度可达到5083-H112合金基材室温强度的96.8％，其截面孔隙率为0.351％，熔覆区氧含量为4.2％。

实施例2

采用激光熔覆技术对7B05-T5铝合金基板预制槽进行修复，所述基板合金成分及对应室温力学性能如表1所示。在激光熔覆前，对基板材料表面油污进行清洗，并采用钢丝刷去除预制槽及其附近基板材料表面氧化膜。熔覆材料选择粒径为53～150μm的Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金球形粉末，按质量百分比，其由以下组分组成：7.70wt.％Mg；0.33wt.％Sc；0.63wt.％Si；0.33wt.％Zr；0.48wt.％Mn；余量Al。在激光熔覆前，采用真空干燥箱对其进行80℃×10h干燥处理。

激光熔覆所用激光束特征及修复工艺参数：修复氛围：大气环境；光束分布：高斯光束；光斑直径：1.25mm；保护气流量：25L/min；熔覆头抬升量：0.4mm；激光功率：1800W；扫描速度：600mm/min；送粉速率：4g/min；搭接率：50％。

每修复一层，采用激光+惰性气体模式的激光清洗机对表面氧化膜进行清洗。循环往复直至完成铝合金基板预制槽的修复。激光表面清洗工艺参数：脉冲激光波长：1.064μm；激光平均功率：90W；扫描线宽：30mm；脉冲重复频率：85kHz；清洗速度：0.5m/min。

对7B05-T5铝合金修复件进行时效热处理，具体热处理工艺为120℃×24h。

图3为激光熔覆修复7B05-T5合金基板预制槽的金相组织，该修复件的室温强度见表1。修复件时效后的室温强度可达到7B05-T5合金基材室温强度的87.5％，其截面孔隙率为0.244％，熔覆区氧含量为3.5％。

实施例3

采用激光熔覆技术对7B05-T5铝合金基板预制槽进行修复，所述基板合金成分及对应室温力学性能如表1所示。在激光熔覆前，对基板材料表面油污进行清洗，并采用钢丝刷去除预制槽及其附近基板材料表面氧化膜。熔覆材料选择粒径为53～150μm的Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金球形粉末，按质量百分比，其由以下组分组成：9.24wt.％Mg；0.33wt.％Sc；0.78wt.％Si；0.15wt.％Zr；0.50wt.％Mn；余量Al。在激光熔覆前，采用真空干燥箱对其进行80℃×10h干燥处理。

激光熔覆所用激光束特征及修复工艺参数：修复氛围：大气环境；光斑直径：1.15mm；光束分布：高斯光束；保护气流量：20L/min；熔覆头抬升量：0.3mm；激光功率：1700W；扫描速度：400mm/min；送粉速率：2g/min；搭接率：50％。

每修复一层，采用钢丝刷对表面氧化膜进行打磨。循环往复直至完成铝合金基板预制槽的修复。

图4为激光熔覆修复7B05-T5合金基板预制槽的金相组织，该修复件的室温强度见表1。修复件时效后的室温强度可达到7B05-T5合金基材室温强度的84.75％，其截面孔隙率为0.891％，熔覆区氧含量为4.5％。

对比例1

激光熔覆所用激光束特征及修复工艺参数选择：修复氛围：大气环境；光束分布：高斯光束；光斑直径：2.5mm；保护气流量：4L/min；熔覆头抬升量：0.5mm；激光功率：1400W；扫描速度：600mm/min；送粉速率：10g/min；搭接率：50％。其余工艺参数及基板处理方式与实施例1一致。对5083-H112合金基板预制槽修复后的金相组织如图5所示，室温强度仅为基材室温强度的59.5％，其截面孔隙率高达4.84％，熔覆区氧含量为8.2％。

对比例2

将实施例3中激光熔覆前的基板处理方式改变为仅对基板材料表面油污进行清洗，未去除预制槽及其附近基板材料表面氧化膜。其余工艺参数及处理方式与实施例3一致，对7B05-T5合金基板预制槽修复后的金相组织如图6所示，室温强度仅为基材室温强度的60.25％，其截面孔隙率高达5.804％，熔覆区氧含量为7.3％。

表1铝合金基板材料合金成分、室温强度及对应修复件强度

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，包括：

2.根据权利要求1所述大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，其中，所述Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末由以下组分组成：Mg：4～10wt％；Sc：0.1～0.6wt％；Zr：0.1～0.3wt％；Si：0.4～0.8wt％；Mn：0.4～0.8wt％；Al：余量；

可选地，所述Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末由以下组分组成：7.70-8.50wt.％Mg；0.30-0.60wt.％Sc；0.50-0.80wt.％Si；0.15-0.35wt.％Zr；0.45-0.50wt.％Mn；余量Al。

3.根据权利要求1或2所述大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，其中，在激光熔覆前，还包括对Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末进行干燥处理的步骤；和/或，

所述Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金粉末的粒径为53～150μm。

4.根据权利要求1-3任一项所述大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，其中，同轴送粉激光熔覆工艺中激光束特征及工艺参数如下：修复氛围：大气环境；光束分布：高斯分布光束；光斑直径：1～1.5mm；保护气流量：20～30L/min；熔覆头抬升量：0.3～0.5mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，其中，同轴送粉激光熔覆工艺的参数如下：激光功率：1700～1800W；扫描速度：400～600mm/min；送粉速率：2～4g/min；搭接率：50％。

6.根据权利要求1-5任一项所述大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，其中，清洗待修复的铝合金的方法包括机械工具除锈、喷砂除锈及激光表面清洗中一种或多种方法的组合。

7.根据权利要求6所述大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，其中，所述激光表面清洗的工艺参数：脉冲激光波长：1.064μm；激光平均功率：70～100W；扫描线宽：20～30mm；脉冲重复频率：70～100kHz；清洗速度：0.3～0.6m/min。

8.根据权利要求1-7任一项所述大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，其中，每修复一层后，清洗去除修复层表明的氧化膜后，再继续进行修复，直至修复完成；

优选地，采用激光表面清洗方法清洗去除修复层表面的氧化膜；所述激光表面清洗的工艺参数：脉冲激光波长：1.064μm；激光平均功率：70～100W；扫描线宽：20～30mm；脉冲重复频率：70～100kHz；清洗速度：0.3～0.6m/min。

9.根据权利要求1-8任一项所述大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，其中，还包括对修复后的铝合金进行时效热处理；优选时效热处理的参数为110-130℃×20-28h。

10.根据权利要求1-9任一项所述大气环境下激光熔覆修复铝合金的方法，其中，所述铝合金包括铸造铝合金、5系铝合金、7系铝合金；优选为5083-H112合金或7B05-T5合金。