激光熔覆制备铝硅梯度材料

孙泽阳 华鹏 李枘 周伟 李先芬

摘要：以1050铝合金为基体，利用激光熔覆技术成功制备了从Al-70Si到近乎纯硅的超高硅含量的铝硅梯度材料，观察和分析熔覆层的截面形貌、显微组织、物相组成成分和硬度等。研究结果表明，熔覆层内部组织的分布为最外层初晶硅含量最多，尺寸也最大;从熔覆层表面到基体处，初晶硅的体积分数及尺寸逐渐减少，呈梯度变化。硅颗粒形貌由长条状转变为多边形状，靠近基体处的颗粒趋于圆片状，分析认为硅颗粒形貌的不同是由于温度梯度和凝固快慢不同导致的，与熔池大小和停留时间相关。铝硅梯度材料的硬度分布为最外层硬度较高，由外向内硬度逐渐减少，呈梯度变化。

关键词：铝合金;激光熔覆;铝硅;梯度材料

中图分类号：TG456.7 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）11-0012-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.03

0 前言

相较于传统的合金材料、复合材料等，功能梯度材料的设计概念更为先进。该材料是组分和结构沿一定方向（一维、二维或三维）呈梯度变化（这个变化是连续的），使得其性能与功能也随之呈梯度变化的非匀质新型材料[1-5]。1987年日本学者新野正之等人[6]首次提出功能梯度材料，经过几十年的深入探索与不懈研究，国内外在功能梯度材料的制备方面日渐成熟。其主流制备方法有：气相沉积法、等离子喷涂法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法、激光熔覆法等[7-8]。

文中选用激光熔覆法制备梯度涂层，其突出优势在于不受基体大小（气相沉积法不适合进行大尺寸梯度材料的沉积）、合金体系（适合自蔓延高温合成法的合金体系非常稀少，限制其应用范围）、模具（模具限制了粉末冶金法制备形状和尺寸）等限制[9-12]，且能达到良好的冶金结合（等离子喷涂法不足之处在于基体结合力不高导致强度低，梯度涂层组织中存在较多的疏松与孔洞，大概率会成为涂层失效的裂纹源[13]）。而且激光熔覆法可以利用激光束高能密度大、加热速度快的特点，以达到超快速凝固，其制备时间短，适用场所广泛。

李艳霞等[14]以A390铝合金为坯料，制备出硅体积分数15%～25%的近活塞形杯状样品，高硅杯底处能满足活塞零件的强度要求，低硅杯壁处能满足活塞高导热的要求;Yu等[15]采用离心技术成功制备出共晶Al-6%Si合金梯度功能材料，由内向外，初晶硅的体积分数及尺寸硬度、耐磨性均逐渐减小，且呈梯度变化。

由于常规方法制备高硅铝合金时难以获得超高硅含量的材料，而且电子封装不同部位对硅含量有着不同要求。文中以制备出超高硅含量的梯度材料为出发点，通过控制激光熔覆每层组元的成分比例，探究了硅含量從70%逐层递增到接近100%的铝硅梯度材料制备的可能性。通过观察和分析熔覆层的截面形貌、显微组织、物相组成成分、硬度等，探究了成分梯度变化对其组织及性能的影响。

1 试验方法

试验选用1050铝合金板作为激光熔覆的基体材料，主要原因是其便于加工及成型，在其表面预置硅粉或铝硅混合粉末，进行一层或多层激光熔覆，可用于制备不同成分的高硅铝合金表层材料及块体材料。1050铝合金主要化学成分如表1所示，其中Al含量大于等于99.5%。用于激光熔覆的粉末材料为纯度99.9%、颗粒度9.8 μm、熔点1 410 ℃的Si粉，以及纯度99.9%、颗粒度98 μm、熔点660 ℃的Al粉，用激光粒度仪测试熔覆粉末的颗粒度，结果如图1所示。

1.1 试验设备

试验所用设备有激光粒度仪、LWS-1000型Nd：YAG激光器、PG-2B型抛光机、DK7735 型电火花线切割机、HT630CN金相显微镜、stemi305型体视镜、扫描电子显微镜、立式万能磨损试样机等。

在1050铝合金表面单层激光熔覆硅粉制备高硅铝合金，通过控制铝粉与硅粉的质量比可以得到特定组元分数的高硅铝合金。之后再通过不断变化每一层铝粉与硅粉的质量比，制备出组元梯度变化的铝硅梯度材料。

具体实施工艺为：第一层进行纯硅粉单层激光熔覆，得到Al-70Si熔覆层;第二层铝粉与硅粉混合质量比例为3∶7;第三层铝粉与硅粉混合质量比例为2∶8;第四层铝粉与硅粉混合质量比例为1∶9;第五层为纯硅粉。激光工艺参数为：每层厚度250 μm，选择激光扫描速度为200 mm/min，激光输出功率250 W，光斑直径0.6 mm，脉宽2 ms，激光频率25 Hz，离焦量1 mm，搭接率50%。

2 试验结果及分析

2.1 截面形貌

多层激光熔覆制备铝硅梯度材料截面形貌如图2所示，靠近上表面处产生少量微裂纹，推测是硅含量过高所导致。熔覆层颜色深浅不同是不同位置硅含量不同导致。多层熔覆后，与基体结合良好。

2.2 显微组织分析

2.2.1 金相分析

多层激光熔覆制备铝硅梯度材料金相组织如图3所示。可以看出，内部组织为初晶硅，无明显共晶组织，硅颗粒尺寸从表面到界面处逐渐减小，硅颗粒形貌由长条状转变为多边形状，在靠近基体处，颗粒趋于圆片状，硅颗粒形貌的不同是由温度梯度和凝固快慢不同所致，与熔池大小和停留时间相关。在靠近基体侧，由于温度梯度高、冷却速度快，硅颗粒趋于圆润，且尺寸较为细小，一般小于10 μm;在靠近表面处，由于硅含量过高，近乎纯硅，出现少量裂纹，但仍达到较好的冶金结合。在金相组织中观察到少量孔隙，这可能是多层熔覆的快速凝固过程导致的，硅相在熔池内部剧烈对流，在熔池边界快速凝固，一些部位凝固收缩后形成少量孔隙。

2.2.2 XRD测试

对梯度材料上表面进行XRD测试，结果如图4所示，上表面近乎纯硅，有少量铝存在。这表明多层熔覆后的表面硅含量高，且达到一定冶金结合，与试验设计结果相符合。

2.2.3 截面元素分析

铝硅梯度材料截面元素分布如图5所示。可以看出，从熔覆层到基体，Al元素百分比含量逐渐增多，Si元素百分比含量逐渐减少，与试验设计思路相符合，界面逐层堆积，硅含量逐渐升高，实现了材料成分的梯度变化。

2.3 硬度测试

通过控制激光熔覆每层组元，制备了从Al-70Si到近乎纯硅的铝硅梯度材料。硅作为硬质相，能够显著提高材料硬度。在激光熔覆截面上，沿表面向基体方向取点，间隔0.05 mm，载荷200 g，加载时间10 s。截面硬度曲线如图6所示，可以看出，硬度值逐渐降低，最高值约为600 HV，在靠近基体侧，硬度值下降至约200 HV，母材硬度值约为34 HV。硬度值主要由硅颗粒尺寸和形貌决定，也与硅含量多少相关，一般情况下，硅含量越高，硬度值越高。

3 结论

（1）利用激光熔覆技术成功制备出超高硅含量的铝硅梯度材料，完成了试验的设计方案，实现了材料成分的梯度变化。

（2）铝硅梯度材料熔覆层内部组织的分布为最外层初晶硅含量最多，尺寸也最大;从熔覆层表面到基体处，初晶硅的体积分数及尺寸逐渐减少，呈梯度变化。硅颗粒形貌由长条状转变为多边形状，在靠近基体处，颗粒趋于圆片状;硅颗粒形貌的不同是温度梯度和凝固快慢不同所致，与熔池大小和停留时间相关。

（3）铝硅梯度材料的硬度分布为最外层硬度较高，由外向内逐渐降低，呈梯度变化。

参考文献：

[1] Hogg S C，Lambourne A，Ogilvy A，et al. Microstructural characterisation of spray  formed Si-30Al for thermal ma-nagement applications[J]. Scripta Materialia，2006，55（1）：111-114.

[2] 高晓霞，姜晓红，田东燕. 功能梯度材料研究的进展综述[J] . 山西建筑，2006，32（5）：143-144.

[3] 王立平，高燕，胡丽天，等. 电沉积功能梯度材料的研究现状及展望[J]. 表面技术，2006，35（2）：1-3.

[4] 张国兵，郭全贵，刘朗，等. SiC/C功能梯度材料的设计、制备及性能[J]. 宇航材料工艺，2006（增刊）：60-65.

[5] D Li，M Zuo，Q Zhang，et al. The investigation of continu-ous nucleation and refinement of primary Si in Al-30Si mushy zone[J]. Wournal of Alloys and Compounds，2010，502（2）：304-309.

[6] M Tebib，AM Samuel，F Awersch，et al. Effect of P and Sradditions on the microstructure of hypereutectic Al-15Si-14Mg-4Cu alloy[J]. Materials Characterization，2014，89（3）：112-123.

[7] 白光宇. Al-Si-W合金电子封装材料制备及性能研究[D].黑龙江：哈尔滨工业大学，2017.

[8] Cui C. Characterization of silicon phases in spray-formed and extruded hypereutectic Al-Si alloys by image analysis[J]. Wournal of Materials Science，2009，44（18）：4816-4826.

[9] 夏軍. 梯度功能材料的制备技术与应用前景[J]. 化工新型材料，2001（6）：20-22.

[10] 张小诚. 新型材料与表面改型技术[M]. 广州：华南理工大学出版社，1990：254-262.

[11] 杨森，赵金兰，杨欣. 激光熔覆制备梯度功能涂层的研究现状[J]. 激光技术，2007，31（2）：220-224.

[12] 郭卫红，汪济奎. 现代功能材料及其应用[M]. 北京：化学工业出版社，2002.

[13] 刘纯波，林锋，蒋显亮. 热障涂层的研究现状与发展趋势[J]. 中国有色金属学报，2007，17（1）：1-13.

[14] 李艳霞，张巨成，王云霄，等. 高硅含量铝硅梯度合金制备及其组织、性能研究[J]. 北华航天工业学院学报，2017，27（6）：1-4.

[15] 于思荣，任露泉，张新平，等. 过共晶Al-16%Si合金梯度功能材料的组织与性能[J]. 吉林工业大学自然科学学报，2001（1）：10-13.