激光功率对Cr-Al/7075梯度复合材料层的影响

王秋林，黄德明，朱金波，李 勇，赵龙志

(1.成都航空职业技术学院，四川 成都 610100；2.重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074；3.华东交通大学 材料科学与工程学院，江西 南昌 330013)

7075铝合金属于超高强度变形铝合金，具有可热处理强化、比强度高等优点，在航空、航天等领域得到广泛应用[1-3]。但由于其表面性能不足，使用范围受到了一定的限制[4-5]。目前，学者们采用了微弧氧化，化学热处理，激光熔覆等技术对7075铝合金表面进行强化，提高其耐磨性、耐腐蚀性等[6-7]。但存在着强化层较薄或工艺周期长、易开裂等缺点[8-9]。

本试验采用激光熔注技术，将7075铝合金基体表面熔化，同时向熔池中注入Cr粉和Al粉，冷却后，Cr粒子被“冻结”在表层，形成Cr-Al/7075复合材料层。由于熔池温度梯度等原因，复合材料层的成分是梯度变化的，可以避免熔注层的开裂问题，且工艺周期短。激光功率的变化会影响熔池的深度，通过控制激光功率可以控制复合材料层的厚度，同时也会影响强化层的微观结构、物相组成以及性能[10]，本试验探讨不同激光功率对Cr-Al/7075梯度复合材料层形貌及硬度的影响。

1 试验过程

1.1 试验材料

采用T6态的7075铝合金板材作为试验基材，尺寸为100 mm×100 mm×10 mm。先用800目砂纸磨掉板材表面的氧化层，超声波清洗5 min，去除油污及其他附着物。用电吹风将板材完全吹干后，对其进行喷砂处理，目的是提高激光的吸收率。熔注材料采用商用的Cr粉(平均粒径为45 μm，纯度不小于99.0%)和Al粉(平均粒径为58 μm，纯度不小于99.0%)，按照w(Cr)=90%的Cr粉比例放入YG-1KG型混料机中，混合2 h(正反转间隔时间为1 min)后，然后将混合均匀的Cr-Al粉末放置在干燥炉内，40 ℃恒温干燥30 min。在Cr粉中加入一定比例Al粉的目的有两个：一是Al的熔点低(660 ℃)，激光作用下易熔化，与Cr混合后可提高Cr粒子与基体的润湿性；二是可增加Cr与Al的反应概率，提高增强体与基体的结合强度。

1.2 梯度复合材料层制备

梯度复合材料层制备采用激光熔注工艺，试验示意图如图1所示。将7075铝合金表面熔化，采取氩气保护同轴送粉的方式注入混合好的Cr-Al颗粒，自然冷却后，7075铝合金表面形成Cr-Al/7075复合材料层。工艺参数为：采用LDM2500-60半导体型激光器，光斑直径为d=2.5 mm，氩气同轴送粉的送粉量为mp=15 g/min，扫描速度v=250 mm/min，单道，激光功率P分别为1.1 kW、1.4 kW、1.7 kW。

图1 激光熔注工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of laser melting process

1.3 组织观察及性能测试

采用日本Rigaku(理学)公司的SmartLab型X射线衍射仪做物相分析，CuKα辐射(λ=0.1540 56 nm)，管压40 kV，管流40 mA，连续扫描模式，扫描速度为8°/min；用日立SU3500型扫描电镜(SEM)和金相显微镜(OM)观察复合材料层的宏观形貌和微观结果；使用HV-1000A型自动转塔维氏硬度计测试复合材料层硬度，压头为136°正菱形金刚石，载荷1.96 N，保荷时间10 s，取5点硬度的平均值。

2 试验结果与分析

2.1 宏观形貌

图2为不同激光功率熔注的Cr-Al/7075梯度复合材料层的宏观形貌。由图2可见，表面较粗糙，大体平整，无较大起伏，便于后期精磨等加工，无裂纹。随着激光功率增加，熔注层的宽度逐渐增加。

图2 不同激光功率熔注的复合材料层宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphologies of composite layers molten with different laser powers

图2为不同激光功率熔注的复合材料层的横截面宏观形貌。复合材料层与基体结合处无明显分界线，说明两者为冶金结合，且无裂纹、孔隙等明显缺陷。熔注层的厚度随激光功率增加而逐渐增加。

复合材料层的宽度W和厚度h与激光功率紧密相关。激光输入能量的大小可以用激光能量密度来表示[11]：

(1)

式中：

E—激光能量密度；

P—激光功率；

D—激光光斑直径；

V—扫描速度。

E表示材料在单位面积上所受到的激光辐射能量，在激光光斑直径D和扫描速度V一定时，激光能量密度E和激光功率P成正比。随着激光功率P增加，材料所受到的激光辐射能量E增大，能量通过热传导和对流方式在三维方向上扩散，7075铝合金基体的熔化区域增大，熔池的深度和宽度因此增加。

图3 不同激光功率熔注的复合材料层横截面宏观形貌Fig.3 Macroscopic morphologies of cross section of the composite layer with different laser power injection

2.2 微观结构

图4为不同功率、不同部位复合材料层的微观结构。由图4可见，当激光功率P=1.1 kW时，熔注层中无明显的增强颗粒进入，只有少量的颗粒镶嵌在表面；在P=1.4 kW和P=1.7 kW的熔注层中，进入了大量的增强颗粒，上部含量多，中部逐渐减少，底部几乎没有，呈明显的梯度分布。其中，1.7 kW的增强颗粒与基体融合在一起，界面不清晰(图4g)，中部的Cr粒子呈“C”字形(图4h)。

Cr-Al/7075梯度复合材料层中增强颗粒的分布特征，主要是由激光熔注过程中熔池的温度场和凝固特点等因素决定[12]。熔池温度场分布与激光束的能量分布一致，为高斯分布[13]，以激光与7075铝合金基体接触点为中心，温度最高，热量在三维方向上散发，温度逐渐降低。激光熔注过程中，先进入熔池的增强颗粒，继续沿着注入方向运动，只有当颗粒遇到熔池的凝固前沿受阻后才会停止下来。由于铝合金具有良好的导热性，熔池很快就开始凝固，凝固的过程则是从四周向中心进行，后进入熔池的增强颗粒在熔池中运动较短的距离就遇到凝固前沿，不能继续向前，因此形成中心增强颗粒多(图3b中最为明显)，向四周逐渐减少的梯度复合材料层。

熔池温度与激光能量密度具有正相关关系，综合式(1)可知，调节激光功率P可改变熔池温度。当激光功率P=1.1 kW时，熔池温度过低，黏度高，表面张力太大，增强颗粒不能进入到熔池中，就只能镶嵌在表面；当激光功率P增大到1.4 kW和1.7 kW时，熔池温度升高，黏度下降，增强颗粒进入了熔池，并形成梯度复合材料层；当激光功率为1.7 kW时，熔池的温度继续升高，根据图4g、图4h和文献[14-15]知，增强体Cr粒子和Al基体在此时可能发生了界面反应，生成AlxCry金属间化合物。

2.3 物相分析

图5是不同功率Cr-Al/7075梯度复合材料层的XRD分析图谱。熔注层是由Al、Al0.983Cr0.017(FCC)、Al86Cr14(亚稳相)、η-AlCr2、Al13Cr2、Al2O3、Cr组成的复合材料层，但各相的含量不同。分析得知，随着激光功率增大，Al相的含量逐渐减小，其他相的含量逐渐增多。在37°～46°出现宽泛漫散射峰，宽化峰说明熔注层中还可能存在非晶相。随着激光功率的增大，对应晶体相尖锐衍射峰强度逐渐下降，说明非晶相含量呈上升趋势[16-17]。

激光功率增大会引起熔池的温度发生变化。梁耀荣[18]用实验验证了激光加工时温度的经验公式，其计算温度T与实际温度的相对误差为3.3%。

T=5.1728Pe-v+828

(2)

计算得知，本试验中激光功率P为1.1 kW、1.4 kW、1.7 kW时，7075铝合金表面温度分别为916 ℃、940 ℃、964 ℃，均达到了Cr-Al反应的温度[11]，生成了AlxCry金属间化合物。但7075铝合金的激光反射率和导热系数都比较大，当熔池的温度不够高时，而冷却速度较快，Cr-Al反应未完全，会存有大量的未反应的Cr粒子。

随着激光功率增大，熔池中的温度升高，Cr-Al反应程度逐渐增大，其反应生成物的种类和含量逐渐增多。同时熔池内外温度梯度增大，非晶相含量增多。当激光功率P=1.1 kW时，Al和Cr生成初生相Al0.983Cr0.017和体心立方结构的η-AlCr2相，其含量很少；激光功率P=1.4 kW时，出现了新相Al13Cr2；激光功率P=1.7 kW时，此时温度足够高，Al和Cr原子热激活能量大，容易发生迁移，反应扩散速率增大，AlxCry金属间化合物的含量大大增加，还出现了新相Al86Cr14(亚稳相)。

2.4 显微硬度

图6为Cr-Al/7075复合材料层从表面到基体方向的显微硬度分布情况。复合材料层的硬度明显呈梯度分布，从表面到基板方向逐渐下降。根据混合定律[19]，复合材料受到载荷作用时，其强度为

σc=σmVm+σpVp

(3)

式中:

σc—复合材料强度；

σm—基体强度；

Vm—基体体积分数；

σp—增强体强度；

Vp—增强体体积分数。

Cr-Al/7075复合材料中的增强体含量呈梯度分布，与其显微硬度分布一致，说明复合材料层硬度升高的主要原因是增强体承载。

由图6可知，功率为1.4 kW时的复合材料层的表面硬度最大(为427.5HV0.2，是7075铝合金基体的3.01倍)，功率为1.7 kW时的次之，功率为1.1 kW时的表面硬度最低。说明复合材料层的硬度除了和增强体含量有关外，还跟增强体与基体反应程度等有关。当激光功率为1.7 kW时，其增强体含量最多，但由于此时的激光能量密度最高，Al、Cr激活能大，生成了大量的AlxCry金属间化合物，界面反应程度高，不利于载荷的传递，硬度因此下降。虽然功率为1.4 kW时的增强体含量不如1.7 kW时的高，但界面结合强度高，因此硬度最高，此为最佳功率。

图6 复合材料层熔池深度方向的显微硬度分布Fig.6 Microhardness distribution in the depth direction of the molten pool of the composite layers

3 结 论

1)通过激光熔注的方法制备了Cr-Al/7075梯度复合材料层，且与7075铝合金基体结合良好，无裂纹、孔隙等明显缺陷。复合材料层中增强颗粒沿熔池深度方向呈梯度分布，与其显微硬度分布一致。

2)随着激光功率的提高，复合材料层的宽度和厚度增加，增强体含量也增加，Cr-Al反应生成物的种类和含量逐渐增多。

3)7075铝合金表面得以强化的主要原因是增强体承载。增强体的含量以及与基体的界面反应程度都会对硬度造成影响，当功率为1.4 kW时，复合材料层的表面硬度最大，为427.5HV0.2，是7075铝合金基体的3.01倍，此功率为最佳功率。