激光溶覆对铝合金疲劳性能的影响

激光熔覆对铝合金疲劳性能的影响

胡芳友　　刘洪军

(海军航空工程学院青岛分院,　青岛266041)

　　提要　对模拟腐蚀损伤的铝合金试样表面进行了激光熔覆填充处理,分析了激光熔覆层的显微组织,并对熔覆试样和基材试样进行了疲劳寿命对比实验。结果表明,表面激光熔覆会显著降低材料的疲劳性能,在99%可靠度的前提下,熔覆试样的安全寿命比基材试样有所降低。其主要影响因素有:熔覆层底部的枝晶、重熔区内的缺陷和熔覆层内的拉应力。经过表面机械冲击后,疲劳性能得到显著提高,提高幅度为244%,疲劳断口形貌表明,熔覆层有明显的疲劳特征。　　关键词　铝合金,　激光熔覆,　疲劳性能

EffectofLaserCladdingonAluminumAlloyFatigueProperties

HuFangyou　　LiuHongjun

(NavalAeronauticalEngineeringInstituteQingdaoBranch,　Qingdao,266041)

　　Abstract　LasersurfacecladdingisusedtorepaircorrosiondamageofAluminumalloythatisusedonpropellerofaeronau2

ticalengine.Four-groupspecimensweretestedforthecomparisonofthefatiguelifeduringtwo-step-experiment.TheeffectonfatiguepropertiesofthelasercladdinglayerofAluminumalloywerediscussed.Theresultsshowthatthedendrite,microporeandtensilestressofcladdinglayerarethefactorstoreducefatigueproperties;thefatiguelifeoflasercladdingspeci2mensisshorterthansubstratematerialspecimen.Usingmechanicalshockingprocessoneverycladdinglayerwillimprovefa2tigueproperties;thefatiguelifeofshockedspecimensisabout3.44timesthelengthofthecladdings.

　　Keywords　Aluminumalloy,　Lasercladding,　fatigueproperty

　　航空发动机螺旋桨叶工作在含尘、含水、甚至含有盐雾的大气环境中,在承受交变载荷的同时,也承受着上述物质的冲刷。其表面防护层在较短时间内便会失去作用,从而引起腐蚀,降低了使用寿命,产生较大的经济损失。人们尝试了多种工艺,均未受到令人满意的效果。激光熔覆是应用激光光斑辐照预涂粉末层的金属表面,使金属粉末经过一个熔凝过程与基材结合,可以在金属表面形成有特定性能的表层材料。熔覆层的理化性能可以较准确地控制,熔覆层与基体可以形成牢固的冶金结合,稀释度小,热影响区小,因此,可以应用在提高工件表面耐腐蚀、耐磨损、耐热性能[1,2]。利用激光熔覆所具有的填充作用,可修复铝合金腐蚀损伤。但是作为填充层,其重熔区必定存在较大的柱状晶:

[3,4]

实验方法及条件

　　实验材料为LY12CZ,试样按照GB3075-82制作,标距段尺寸60×20×4mm,由挤压型材和板材

铣制。疲劳性能通过三组对比疲劳试样检测(每组5个),试样表面预制深1.5mm,SR10mm的凹坑来

模拟腐蚀损伤。实验分三个阶段,阶段一为熔覆工艺参数优化实验,阶段二为直接熔覆填充及疲劳性能实验,阶段三为熔覆加辅助机械冲击工艺及疲劳性能实验。二、三阶段分别熔覆填充二组试样。采用JHM-1GX-200型脉冲式Nd:YAG激光器;熔覆合金粉沫为铝钇合金,采用激光多道多层熔覆,光斑侧面吹氩气保护,氩气流量为8l/min,光斑直径为1.0mm,激光工作电流280A,脉冲频率2Hz,脉冲宽度3～6ms。疲劳寿命对比试验在4t立式疲劳试验机上进行,试验参数为:室温环境,单轴拉-拉正弦波加载,试验最大应力σmax=275MPa,最小应力σ在S360扫描电镜下min=55MPa,频率f=8Hz。

(SEM)分析熔覆层的微观组织结构。

结果分析与讨论

,从而

影响材料的疲劳性能。以承受交变载荷的螺旋桨叶,疲劳性能将直接影响其使用寿命。因此,研究激光熔覆后材料的疲劳性能变化规律是十分重要的。　2004年12月2日收稿—4

—

表1　试样疲劳试验结果(寿命,N/cycle)第二阶段基材试样组

19434126921143411394248

第三阶段

熔覆

熔覆试样组

84729322104371157312148

冲击试样组

3054534741371714036848406

靠度前提下,与基材试样(有模拟腐蚀坑)相比,熔覆试样的疲劳寿命略有降低;与直接熔覆试样相比,增加机械冲击后,安全寿命提高了244%

表2　安全寿命估算及对比

试样组第二阶段第三阶段

X

s0.16360.09330.000.0765

s20.02680.00870.00410.0059

X993.80543.7783.8636

N996359987304

试样组

969868721194811394

基材4.1859熔覆3.9946熔覆4.0125熔覆

4.5774

　　表1为两个阶段试样的疲劳寿命实验结果。

　　通常铝合金材料疲劳性能观测值母体分布规律为正态分布或威布尔分布,由于实验采用的应力水平为屈服极限的60%以上(LY12的σb=550MPa,σ0.2=450MPa本实验取σmax=275MPa),母体的分散性应较小。在此前提下,可以用小子样数据估计母体参数:[5]。　　根据表1数据及式(1)(2)(3)分别计算对数子样平均值、标准差s和方差s21n

^　　X=∑lgNi=μ

ni=1

(1)加冲击

4.399525090

　　s=

n1(∑Xi)2∑Xi-i=1ni=1^=σ

n-1

2

n

2

n图1　熔覆过渡区域显微组织

(2)　　为了解熔覆试样疲劳寿命降低的原因,对疲劳试验前后熔覆层的显微组织进行了分析。图1为熔覆过渡区域的显微组织,从图中可以看出:熔覆层内的微观组织是不同于基材的铸态组织;在熔覆层的底部,由于熔池与基材的温差,形成了与热传导相同

μm;由于枝晶方向的枝晶,其轴向长度可达30-40

长大的方向与应力方向几乎垂直,具有较强的开裂倾向,使试样的疲劳寿命明显降低;在枝晶与基材之

μm的重熔区,区内可见有间存在一个厚度为5-10

微观缺陷;同时由于熔池金属在凝固过程中相对于基材的收缩,致使熔覆层内会产生拉应力,熔覆后试样的弯曲变形可证明拉应力的存在,拉应力会加速表面或熔覆层内的开裂。

　　图2为疲劳直接熔覆试样的疲劳断口形貌。可以看出,在上部熔覆区域的断裂面上没有呈现疲劳断口特征,说明在较少的循环周期内,裂纹就扩展到熔覆区整个截面,具有明显的相对脆性;而在基材的断裂面上,可以看见典型的疲劳特征,裂纹源在熔覆层与基材之间的过渡区域,裂纹在基材内的扩展属

—5

—

n

1(∑Xi-∑Xi)2

i=1ni=1

　　s2=

n-1

(3)

^、^为母体平均值、　　式中母体标准差的估计量。μσ

　　取可靠度为99%,对应99%可靠度的标准正态

分布偏量:up=-2.326,.则

^=μ^+μ^+μ^pσ=X^ps(4)　　Xp

^为对应任一可靠度的对数安全寿命估计量,　　Xp^^Xp=lgNp。

^为对应任一可靠度的安全寿命估计量。　　Np

　　根据式(4)计算,可得99%可靠度下试样的安全寿命(如表2)。

　　根据四组试样的方差,按照疲劳对比试验原理[5]进行显著性检验(计算过程略),得出结论:就疲劳寿命而言,第二阶段两个子样、第三阶段两个子样均来自平均值不同的两个母体。两个母体具有相同的标准差、不同的平均值。因此可认为:在99%可

于较典型的铝合金疲劳特征。图3为在每一熔覆层施加机械冲击试样的疲劳断口,柱状晶已不明显,可以看出上部的熔覆区断口已有典型的疲劳特征,这与其较长的疲劳寿命相吻合。

图3　熔覆加冲击断口形貌

结　论

　　1.多层熔覆降低材料的疲劳寿命,在每一个熔

图2　熔覆断口形貌

　　综上可见,熔覆试样疲劳裂纹萌生于过渡区域,在熔覆层内快速扩展,待裂纹扩展至整个熔覆截面

后,在基材区域以铝合金挤压型材典型的裂纹扩展规律扩展,直至断裂。经过机械冲击,熔覆层底部的柱状晶经变形后已改变形状,冲击释放了熔覆层的拉应力并产生压应力,熔覆层内的缺陷经变形后对裂纹萌生的影响已减小,三者共同作用抑制了裂纹的萌生与扩展,延长了试样的疲劳寿命。

(上接第8页)

覆层施加机械冲击可显著提高试样的疲劳性能。　　2.熔覆层底部的枝晶、重熔区内的缺陷和熔覆层内的拉应力是影响熔覆试样疲劳寿命的主要因素。参考文献

[1]杨晓豫.上海交通大学博士学位论文,1997.8

[2]R.H.Hayes,Huffmancorporationattheworldaviation

gasturbineengineoverhaulandrepair’97conference[3]R.Li,etal,Surf.Coat.Tech.1996,81:290[4]CAIXun,etal,MaterialEngineering,2000.4:6[5]高镇同等,北京航空航天大学出版社,2000.12:118

VyViVREFV0　　=

R17R21R26R20

(2)

　　令K=

R26R20,

VREFR17R21

则有最终的输出电压:V0=KViVy,这个输出电压是与正弦波信号振幅成正比的。Vo通过3个二阶低通滤波器后,可以得到非常平滑的直流信号。这就可以送入AD转换器件进行转换显示了。

实验结果

　　上述实验装置于2004年8月开始在河南羚瑞制药股份有限公司的生产线上进行试用。图4为2004-8-19下午1时到5时在线测量得到的实验结果。此时生产的膏药为壮骨膏,布的颜色为白色。　　膏药的含膏量增加,更多的光被吸收,则接收到的透射光的强度降低。图中已经能够看出透射光强的变化和含膏量的变化趋势一致。初步的实验表明本测试方法是可行的。但是分辨率还不够高,需要在电路上进一步改进。

参考文献

[1]李建武等,光学与光电技术,2004[2]韩要轩等,激光技术,200326(5):331[3]李建武,华中科技大学硕士论文,2003

[4]雷玉堂等,光电检测技术,中国计量出版社,1997[5]曾庆勇,微弱信号检测,浙江大学出版社,1994

图4　在线测量结果

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