论文导读：熔覆材料选择为Al-Y-Nb合金粉末。进行单道激光熔覆试验。预敷的Al-Y-Nb粉末层形成熔体的瞬间便通过与之接触的LY11CZ基底热传导散热降温。因此主要考察熔覆后其抗晶间腐蚀性能。
关键词：激光熔覆，LY11CZ，Al-Y-Nb合金，微观组织形貌，腐蚀性能
0 引言铝及铝合金具有比强度高、耐腐蚀性好等优点，是航天、航空和石油化工等工业领域广泛使用的材料。LY11CZ很长时间被用于制造飞机螺旋桨叶片，叶片表面上出现损伤时，必须通过一些表面处理技术进行修复。除了考虑螺旋桨叶片所要求的高强度、高耐疲劳性，对于沿海的机场，飞机主要在海洋湿气环境下飞行，还必须考虑表面修复后的耐腐蚀性。选择一种合适的表面处理技术对螺旋桨叶片进行修复，对节省装备维护费用，提高装备使用寿命具有很重要的意义。
激光熔覆是用激光作热源，在材料表面熔覆一层具有特殊性能的合金层。免费论文网。合理选择熔覆合金和激光处理工艺，可以得到高硬度、高耐磨性和高抗蚀性的表面层[1]。激光熔覆技术作为一种高速高效的表面处理技术，在防腐蚀工程方面有极大的运用前景[2]。
本文以激光熔覆技术作为飞机叶片表面损伤的修复方法，研究熔覆层的微观组织形貌与耐腐蚀性能。
1 激光熔覆实验1.1 试验材料1.1.1 基材
基材为LY11CZ，取自飞机螺旋桨叶片，化学成分(质量分数)：Si0.7，Fe0.7，Cu3.8~4.8，Mn0.4~0.8，Mg0.4~0.8，Ni0.1，Zn0.3，Ti0.15，余量为Al。试样尺寸为50×50×5(mm)，表面用粗砂纸打磨，并用丙酮清洗。
1.1.2 熔覆材料
钇作为稀土元素具有很多独特的性质，添加少量的钇能极大的影响材料的组织与性能。将钇添加在铝粉中作为熔覆材料具有很多积极作用，主要表现在3个方面：①变质作用。激光熔覆过程其实是一个熔铸过程，而钇以及其他一些稀土元素可以有效减小铝合金的枝晶间距，细化铸态晶粒。②净化作用。由于稀土元素具有很高的化学活性，与H2、Fe、S等杂质元素具有很强的化学亲和力，可以与各种杂质元素形成化合物，因而能消除H2、Fe、S和过剩游离态Si等有害杂质的影响。③微合金化作用。稀土元素与Al及其合金元素能发生微合金化作用，对铝合金能起到一定的改性作用。由于稀土元素在纯铝中溶解度很小，添加钇元素对纯铝强度作用很小。
铌与铝可以形成无限固溶体。将少量铌作为变质剂加入到熔覆材料中，可以起到细化晶粒和改善组织。在激光熔覆形成熔池的瞬间，高熔点的铌成颗粒状分布在熔池中，可以增加晶核的数量，并阻碍晶核的长大，起到细晶强化作用，改善材料的铸造工艺性能。
因此，熔覆材料选择为Al-Y-Nb合金粉末，其中Y为4%、Nb为2%，余量为Al。粉末混合均匀，经粘结剂浸润后干燥备用。
1.2 试验设备及仪器采用JHM-1GX-200B型Nd:YAG脉冲激光器。其波长为1.06μm，最大输出功率为300W，最大工作电流400A，脉冲宽度(0.1～15)ms，最大单脉冲能量60J，激光束发散角小于15mrad，能量不稳定度小于±5%。组织形貌及耐腐蚀性分析主要采用4XB-TV金相显微镜完成。HXS-1000数字式智能显微硬度计测试熔覆层显微硬度。
1.3 试验方法
采用正交实验法，进行单道激光熔覆试验。铝材表面易氧化，反射率高，试验过程中，用同轴的氩气流进行保护。
表5 正交试验表及硬度测试
Table 1 Orthogonal experiment table and test of micro-hardness
| 序号 电流 频率 脉宽 光斑直径 平均硬度 (A) (Hz) (ms) (mm) (HV) |
| 1 110 1 7 1.0 31.4 2 110 2 10 1.5 35.2 3 110 3 13 2.0 33.6 4 130 1 13 1.5 37.3 5 130 2 7 2.0 41.7 6 130 3 10 1.0 39.5 7 150 1 10 2.0 43.3 8 150 2 13 1.5 49.1 9 150 3 7 1.0 46.8 |
1.4 熔覆层微观组织形貌
选择熔覆后宏观形貌较理想且显微硬度要较高的试样7(对应的工艺参数：电流150A，频率1HZ，脉宽10ms，光斑直径2mm)，横向截取熔覆层，磨制、抛光金相试样。用HF、HCl、HNO3混合酸溶液将试样进行腐蚀，待试样表面出现明显腐蚀痕迹后用无水酒精洗净、吹干，观察熔覆层微观组织形貌。从图1可以看到，熔覆层组织细密，与基材结合紧密。熔覆层底部平滑微凹，熔池的固－液界面清晰，没有发现明显的微观裂纹，这对获得较好的耐疲劳性很重要。熔池底部形成有以胞状晶组织为主的过渡区，这层组织深入到LY11CZ基底中，宽度很窄。靠近过渡区的基材晶粒粗大，原因是此部分基材熔化后重新结晶，发生退火。
分析：在聚焦光束的瞬时作用下（脉宽为10ms），预敷的Al-Y-Nb粉末层形成熔体的瞬间便通过与之接触的LY11CZ基底热传导散热降温，达到相对较快的加热熔化——冷却凝固的过程；与Al-Y-Nb熔体相接触的LY11CZ基底仅仅在表层部分升温熔化进入Al-Y-Nb熔体中形成了过渡区组织。因此固——液相界面在熔池阶段由基底进入熔池的LY11CZ成分较少而减小了对过渡层的稀释作用，并使过渡区较窄。另一方面，在此过程中形成清晰的近似于平面的固——液相界面前沿有利于合金在凝固初始阶段的形核。因此在该激光熔覆工艺条件下获得了相对快的冷凝速度和相对较小而均匀的过渡区组织结构。就熔覆层的加热熔化——冷却凝固过程而言，熔覆层的形成机制实质上取决于在一定的激光瞬时加热条件下熔体与基底间的温度梯度，较陡的温度梯度有利于获得良好的激光熔覆质量。但温度梯度过大容易引起裂纹产生。
过渡区没有出现裂纹的另一个原因是Al-Y-Nb合金熔覆层与基材LY11CZ的线膨胀系数差异较小，可以有效的减少熔覆层残余拉应力，减小其开裂敏感性。涂层与基材的线膨胀系数接近还可以防止熔覆层的脱落。
 
图1 熔覆层微观组织形貌800×
Figure 1 Microstructureof laser cladding layer
2 熔覆层耐蚀性实验2.1 实验方法
由于LY11CZ属于Al-Cu-Mg合金系，耐蚀性能比纯铝以及防锈铝合金要低，腐蚀类型以晶间腐蚀为主。在加热超过100°C时有产生晶间腐蚀倾向。因此主要考察熔覆后其抗晶间腐蚀性能。
腐蚀液为盐酸（36％～38％）、硝酸溶液（30%）、氯化钠溶液每（57g+1L水）、氢氧化钠溶液（10％）和有机溶剂（乙醇、丙酮）的混合液。
试样尺寸：8×8×20(mm)。用乙醇、丙酮将试样擦拭干净，浸入氢氧化钠溶液(5～15)分钟，取出用水洗净，浸入HNO3溶液中，直到表面光洁，再用水洗净。在温度为（35±2）°C的条件下，将试样放入腐蚀液中，浸泡24小时，取出，用水洗净，吹干[1]。
2.2 熔覆层耐蚀性分析
试样表面附着了一层在酸性条件下的腐蚀产物，其主要成分是A1C13。腐蚀后的熔覆层微观形貌如图2。
图2 腐蚀后熔覆层微观形貌 800×
Figure 2 Microstructureof laser cladding after erosion
在接近表面的微小气孔周围，出现了明显的缝隙腐蚀特征。证明腐蚀由表面缝隙容易渗透延伸到熔覆层内部，且气孔周围存在极其细小的微观裂纹，此缝隙宽度在（0.025～0.1）mm范围内。免费论文网。在熔覆层表面，发现有点蚀坑，直径1mm左右。原因是熔覆层的表面钝化后，钝化膜处于溶解与修复动态平衡状态，由于溶液中C1-1浓度很高，有一定几率形成铝的氯化物，当钝化膜破坏后，点蚀开始形成。同时，C1-1半径很小，可以穿过钝化膜进入膜内，引起点蚀。由于熔覆层晶粒极细，没有观察到明显的晶间腐蚀。同时发现，在熔覆层与基材的过渡区组织良好，没有发现腐蚀痕迹。
3 结论通过LY11CZ熔覆Al-Y-Nb合金试验以及对熔覆层组织与耐腐蚀性的研究，可得以下结论：
①LY11CZ基材激光熔覆Al-Y-Nb合金涂层时，在电流150A、脉宽10ms、频率1Hz时，可以得到组织细密，与基体呈良好冶金结合且无明显微观裂纹的熔覆层。
②熔覆层耐腐蚀性能较好。免费论文网。在酸性盐溶液中的腐蚀形式主要是点蚀和缝隙腐蚀，没有发现明显的晶间腐蚀。熔覆层中存在的气孔及微观裂纹对其耐腐蚀性有不良影响，微观气孔及其周围的微观裂纹是最主要的缝隙腐蚀萌生原因。
③Al-Y-Nb合金可以作为激光熔覆修复飞机叶片（LY11CZ）的参考材料。
4 进一步研究设想工程实践中，将激光熔覆技术应用于飞机叶片的修复，还要做以下考虑：
①从熔覆材料着手，在Al-Y-Nb合金基础上添加某些合金元素，进一步提高其耐磨性能和耐冲刷腐蚀性能。
②优化激光熔覆工艺条件，减少熔覆层微观缺陷。进一步做多道、多层熔覆试验。
③通过疲劳试验对修复层的耐疲劳性进行研究。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 魏秉庆,刘文今,梁吉,等.巴基管涂层45钢表面激光熔覆的研究[Ｊ].中国激光,1996,23(8):765-767
[2] 白新德,徐健,范毓殿.激光表面处理技术在改善材料抗腐蚀性能上的应用[J].清华大学学报(自然科学版),1998,38（12）:65-68
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