铸造铝硅合金激光表面改性梯度层组织及性能研究

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1、^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，A1一Si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

2、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(FunctionallyGradiemCoating)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Ni／WC和Cr／

3、WC激光改性梯度层(LMG)。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A1．si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MARC，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WC颗粒的含量不断增加，由10％增加至30％。利用SEM、TEM、EDXS和x射线衍射仪

4、对每次Ni／WC和Cr／wC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，A1．Ni和A1．cr化合物数量增加：3次激光改性的Ni／WC梯度层组织主要有d—Al、Si、WC、Ni以及A1-Ni系化合物A1Ni和Ni3Al，另外还存在一些合金元素Ni与w元素形成的Ni2w4C化合物。由于改性梯度层制备中，N

5、i合金元素不断的加入，改性层表面Ni含量的增加，在第一次激光合金化层中出现的Al，Ni2相被随后出现的Ni3Al所代替。3次激光扫描的Cr／WC梯度层组织除了旺一A1、Si、WC外，还有因Cr合金元素加入而出现的A19Cr4、All7Cr9、Cr7C3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A1和Ni(Cr)含量变化趋于平缓。、ji1至于稀土合金元素对A1．Si激光表面改性地影响，本研究发现，添加Ce02镕4幸吕＆々2$．口《￡&*梯度层n自tA*能日究的激光改性梯度层

6、，其相组成与组织形态都发生了相应变化。当加入1％的Ce02，改性层基底组织01．A1枝晶间距减小，胞状晶直径减小，晶粒得到细化；Si相由块状变为细小分散的小颗粒状；并且改性梯度层中的A1-Ni或者A1一cr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WC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Ni／WC和Cr／WC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

7、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WC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WC硬质相分别发生棱角溶化、溶解后重新析出形成WC。以及与其他元素形成化合物等三种变化方式，WC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Ni／WC和CffWC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

8、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Al—si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