激光熔覆技术在AlSi7Mg合金缺陷修复应用

激光熔覆技术在AlSi7Mg合金缺陷修复应用

崔岩峰,李寒松,马鑫

南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016

摘要：激光熔覆技术是以激光熔覆和快速成形技术为基础，利用激光热使熔覆材料与待修复的基体形成冶金结合，修复零件几何尺寸以及优化组织性能。因热输入量小等原因，近年来被广泛用于修复各类金属，如钛合金、镍基高温合金、铁基合金、难熔合金、非晶合金等材料，但在铝合金铸件铸造缺陷修复上尚属首次探索。本文以修复ALSI7MG合金铸件为例，探索航空铝合金铸件铸造缺陷激光熔覆的可行性，评价激光熔覆技术在铝合金铸件上的适用性，以期达到高质高效修复的目的，并进行工程化推广应用。

关键词：ALSI7MG合金  尺寸控制 性能要求 冶金 激光熔覆

引言：激光熔覆技术（Laser Deposition Repair，LDR）是以激光熔覆和快速成形技术为基础，利用激光热使熔覆材料与待修复的基体形成冶金结合，修复零件几何尺寸以及优化组织性能。因热输入量小等原因，近年来被广泛用于修复各类金属，可满足加工后铸件的修复， 本文以修复ALSI7MG合金铸件为例，探索航空铝合金铸件加工过程中出现的缺陷激光熔覆的可行性，评价激光熔覆技术在铝合金铸件上的适用性，以期达到高质高效修复的目的，并进行工程化推广应用。

1. 基础工艺研究

1.1 激光熔覆微观组织及能谱分析

1.1.2 激光熔覆ALSI7MG微观组织

对激光熔覆ALSI7MG试样焊后机体进行金相分析，分析结果如图1所示。

图1  激光沉积修复焊区组织

焊区与非焊区会有明显的组织变化的现象，在熔池底部α-Al枝晶会有柱状晶，呈外延生长的趋势，往上会转变成等轴晶。这是因为当激光沉积熔化粉末时，由于激光的熔化效率高，粉末呈液态，而基体是固态，它们的温度不同，会产生强烈的温度差，所以会形成柱状晶呈外延生长，沿温度梯度生长向上，这时温度梯度方向垂直于扫描方向，当向上时，温度差不明显，这时温度梯度方向接近甚至是平行于扫描方向，所以转变成等轴晶。

1.2 性能试验与结果分析

1.2.1 激光熔覆硬度测试分析

激光熔覆占比为100%，对其进行硬度测试。激光沉积修复位置的硬度值可达126HV左右，靠近热影响区时硬度值稍微有所降低，但是也可达到100HV左右，基体的硬度值变化较大，一般在60-90HV之间，推断激光沉积过后，基体受到热影响，产生软化现象，硬度降低，强度降低，塑性提高。

1.2.2 激光熔覆拉伸性能测试分析

材料的拉伸性能是材料力学性能的重要指标之一，是工程设计、选材、方案选取的主要依据。 激光熔覆后不进行热处理对试样进行拉伸试验。拉伸试验结果见表1。

表1    ALSI7MG拉伸试验结果

拉伸试样断裂均在基材处，不在激光沉积修复焊区，证明激光沉积修复处质量优于基材。经激光沉积修复进未进行热处理试样抗拉强度均在142MPa左右，强度较低，塑性较好，可能原因是研究试样较小，在激光沉积修复过程中热量累积使基材晶粒长大、造成组织粗大，强度降低。

1.2.3 激光熔覆变形量测试分析

采用精加工后的真实零件进行试验，采用修复前后3坐标测量特征点数值对比方法，考查激光熔覆真实零件变形情况。

测试了真实零件3处修复处，每处缺陷槽尺寸均为边长5mm的正方形。表2为变形测试后的结果，为修复前和修复后的数据对比。

表2 变形测试结果

经过变形测试试验后发现，激光熔覆铝合金后对修复平面度及相关圆直径的尺寸变化均小于0.05mm，修复前后尺寸基本未发生改变。

2 ALSI7MG合金零件工程化修复研究

2.1.铸件缺陷情况

    零件缺陷位于法兰安装边，厚度为4.5mm，薄壁位置，两个修复方向的基底均过小，设计修复方案拟采用添加垫块方式，增加修复基底面积，便于激光熔覆以及变形量控制。

2.2.修复前准备工作

    首先将未处理的零件进行修复前的三坐标测量。重点测试图中左侧损坏位置区域，在零件右侧部分测试10个数据，用于数据对比。

2.3.激光熔覆零件

整个修复过程是重点，在修复过程中根据之前模拟试验测试结果对工艺进行了相对调整，特别重点重视搭接处的修复工作且在外轮廓加扫边缘程序，修复后对零件进行加工，修复前后对比结果如图2所示：

图2.零件修复前后对比图

    经过加工后，进行X-射线无损检测，未发现任何缺陷。

    4.零件修复后变形测试

    在焊区附近区域选择38各点，修复前后测试点一一对应，测试各点的平面度，测试结果平面度变化范围-0.03+0.05范围内波动，从测试结果来看，修复前后基本没有发生变形。

3 结论

    上述章节和内容，对激光熔覆技术基础工艺、工程化修复工艺、ALSI7MG合金零件工程化修复和工程化推广应用等方面进行了详细的试验、分析、研究和总结，得出以下结论：

    （1）经激光熔覆技术修复的焊区，化学成分与基材基本一致，满足技术条件要求；

（2）焊区金相组织与基材相比明显细化；

（3）焊区的硬度、拉伸强度、疲劳性能等性能指标，与基材基本相当；

（4）焊结热输入量小，焊接热影响区小，焊后零件变形量能控制在±0.05mm以内。

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