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铝基颗粒增强复合材料缺陷激光修复造技术

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铝基颗粒增强复合材料缺陷激光修复造技术

作者:
来源:
发布时间:
2020/05/15

  一、 研究背景

  模具激光淬火修复设备的铝基颗粒增强复合材料(AMC)是金属基复合材料的一种,具有密度低、制备灵活、可热处理等优点,成为金属基复合材料研究和发展的主流,在航空航天、军事、汽车、电子、体育等领域有着广泛的应用。铝基复合材料的颗粒增强相有SiC、TiC、Al2O3、TiB2等 。目前,熔铸是制备AMC材料和构件常用的方法,然而,由于铝合金粘度大、流动性差,铸件产品经常出现点状缺陷,而这些点状缺陷大多数都是在零件快加工到尺寸的时候才被发现,严重影响产品质量和成品率。

  目前,通常采用氩弧焊补焊来解决AMC的点状缺陷,但氩弧焊存在热影响区大、烧损严重、形变大、基体晶粒尺寸长大等严重问题。因此,AMC点状缺陷的补焊成为影响该类产品质量的技术难题。

  二、 技术方案

  采用波长3kW半导体激光器(波长980nm)+机器人系统,铝合金对半导体粉末激光的吸收率能达到90%以上,利用送粉装置将粉末送到熔池,实施激光点状补焊。

  三、 修复层组织分析

  3.1激光修复层的宏观形貌

  按照图1所示的模具激光淬火修复设备切割方向对补焊层进行切样分析,切割样品的宏观形貌见图2所示。由表面和横断面形貌可以看出,激光补焊层出气孔和裂纹等缺陷,补焊层表面光滑且呈金属色,无氧化现象。

  3.2激光修复层组织分析

  图3为基材组织,由图3可以看出,基材为铝基复合材料,白色部位为铝基体,黑色部分为强化相,强化相团聚严重,呈网状分布。

  图 4为激光补焊层组织,与基体相比,第二相分布更为均匀,消除了网状第二相分布的组织。图5为激光补焊层与基体界面的组织,标明基体和补焊层呈良好的冶金结合状态。组织分析表面,补焊层无显微裂纹和气孔。

  3.3 修复层显微硬度分析

  采用显微硬度计测定了修复层的硬度,结果如表1所示。由表中可知,采用一次补焊和扫描补焊,补焊层硬度与基材相当,但采用两次补焊后,补焊层硬度略低于基材。

  表1补焊层显微硬度测定工艺方式硬度数据(HV0.05)平均值(HV0.05)

  一次补焊85.13195.80392.67691.203

  两次补焊74.00481.97568.47174.816

  扫描补焊96.598109.53792.01399.382

  基材硬度93.57799.74489.86494.395

  3.4 结论

  通过激光补焊工艺试验,并补焊层组织和硬度测试进行分析,结果标明,模具激光淬火修复设备采用三种补焊工艺均能消除铝基复合材料的缺陷,且一次点焊和连续扫描焊能获得与基体组织和硬度相近的补焊层,对第二相无烧损,能较好地实现铝基复合材料缺陷的修复。具有重要的工程应用价值。

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