CN115595573A

CN115595573A - 一种用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料及修复方法

Info

Publication number: CN115595573A
Application number: CN202211253631.5A
Authority: CN
Inventors: 袁铁锤; 徐荣; 李瑞迪
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2022-10-13
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2023-01-13
Anticipated expiration: 2042-10-13
Also published as: CN115595573B

Abstract

本发明公开了一种用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料及修复方法，修复材料以质量百分比计包括下述组分：Mg：4～10％、Si：1～2％、Zr：0.8～1.5％、Sc：0.2～0.7％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。本发明提供的修复材料用于激光增材制造时成形性好、综合力学性能佳，所述局部干法水下激光修复6000系铝合金修复方法，这不仅可用于水下环境下金属零件的现场修复，还可解决可热处理铝合金激光修复过程存在的性能软化问题。

Description

一种用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料及修复方法

技术领域

本发明属于激光修复材料技术领域，具体涉及到一种用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料及修复方法。

背景技术

6000系铝合金主要以Mg、Si为主要合金元素，形成Mg₂Si强化相，属于可热处理铝合金，具有成形性优、焊接性能佳以及耐腐蚀性能强等优点，被广泛应用于飞机、船舶、高速列车和深海装备结构中。但由于严苛的服役环境，使得铝合金的结构件容易受到损伤。激光增材制造技术(本专利特指激光定向能量沉积)被认为是一种潜在的颠覆性技术，利用高能激光束快速熔化熔覆材料，熔化的金属粉末快速凝固后与母材形成冶金结合。具有热量集中、热输入小等特点的同时，还具有效率高、机械性能好等优点，已被广泛应用于非晶合金、难熔合金、铁基合金、镍基高温合金和钛合金的修复。然而，Al-Si系铝合金是目前唯一适合激光增材制造的铝合金，但其力学性能难以同6000系铝合金母材性能相匹配。

当深海装备如深海油气管道、深海机器人、深潜器等受到损伤时，水下的原位修复成为了最有意义和最有挑战的技术。同时，激光修复6000铝合金还面临另一个重要挑战，6000系铝合金属于可热处理时效强化铝合金，且强化相单一且热敏感性高，在激光熔覆的过程中受到热循环后，6000铝合金母材的热影响区范围大，强度下降明显，严重损害6000系铝合金结构件的综合机械性能。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

本发明的其中一个目的是提供一种用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，解决激光增材制造铝合金成形性差和6000系铝合金经激光修复后热影响区软化的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，以质量百分比计包括下述组分：Mg：4～10％、Si：1～2％、Zr：0.8～1.5％、Sc：0.2～0.7％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。

作为本发明用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料的一种优选方案，其中：所述Zr和所述Sc的质量比为Zr/Sc≥2。

作为本发明用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料的一种优选方案，其中：所述Mg、所述Zr与所述Sc的质量关系为Mg/(Zr+Sc)≥4。

作为本发明所述的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料的优选方案，考虑到了固溶强化、层错强化、细晶强化、纳米析出强化、缺陷抑制、稳定激光加工熔池等多种因素。具体合金设计依据如下：

Mg元素的作用：第一，在3D打印的快速凝固制备条件下，形成超饱和固溶体，起到固溶强化的作用。第二，降低铝合金的层错能，形成长程有序相，起到层错强化的作用。第三，抑制Al₃(Sc,Zr)粒子的不连续析出，并保持Al₃(Sc,Zr)粒子与铝基体的相干性。

Si元素的作用：第一，形成Mg2Si强化相，起到弥散强化的作用。第二，降低合金凝固温度范围和开裂敏感性的同时，降低合金熔体的黏度和孔隙形成倾向。第三，铝合金材料导热性好，在激光加工过程熔池中搅拌过程剧烈，在水环境中的超快冷速下，铝合金熔池易在翻腾中冷却，从而形成大量的气孔，通过适量Si的加入可以稳定熔池，提高激光修复过程中铝合金的成形质量。

Sc，Zr元素的作用：形成热稳定性强的Al₃(Sc,Zr)粒子，起到弥散强化的作用，同时细化晶粒，阻断柱状晶的生长，抑制裂纹的生成。

作为本发明用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料的一种优选方案，其中：以质量百分比计包括下述组分：Mg：6.8％、Si：1.2％、Zr：1.1％、Sc：0.3％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。

作为本发明用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料的一种优选方案，其中：以质量百分比计包括下述组分：Mg：7.5％、Si：1.5％、Zr：1.0％、Sc：0.35％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。

本发明的另一个目的是提供一种局部干法水下激光修复6000系铝合金的修复方法，包括，

按照权利要求1的质量百分比配置修复材料的预合金粉末；

将母材的受损部位切割成规则的形状；

用高压气体将待修复区域水分排开；

采用激光熔覆系统进行修复。

作为本发明局部干法水下激光修复6000系铝合金的修复方法的一种优选方案，其中：还包括，将切割部位进行打磨、清洗以除去表面氧化物。

作为本发明局部干法水下激光修复6000系铝合金的修复方法的一种优选方案，其中：所述采用激光熔覆系统进行修复，激光功率为1400～1800W，扫描速度为400～800mm/min，层间厚度为0.5mm，搭接率为60～80％。

作为本发明局部干法水下激光修复6000系铝合金的修复方法的一种优选方案，其中：所述配置修复材料的预合金粉末，按权利要求1的元素配比称取各中间合金金属块，采用真空气雾化方式制粉。

作为本发明局部干法水下激光修复6000系铝合金的修复方法的一种优选方案，其中：得到的修复件修复区组织细小均匀，无裂纹、致密度高，抗拉强度可达母材的100％以上，延伸率达到15％以上。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的用于激光修复6000系铝合金粉末配方克服了传统牌号在3D打印过程易开裂、力学性能差、各向异性大等缺陷，得到的修复件组织细小均匀，致密无缺陷，综合力学性能优。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为局部干法水下激光修复6000系铝合金修复方法的原理图；

图2为局部干法水下激光修复6000系铝合金实施例1金相图；

图3为局部干法水下激光修复6000系铝合金实施例1过渡区硬度演变；

图4为局部干法水下激光修复6000系铝合金对照例2金相图；

图5为局部干法水下激光修复6000系铝合金对照例4过渡区硬度演变。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

配制本实施例1的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料成分，以质量百分比计为：Mg：6.8％、Si：1.2％、Zr：1.1％、Sc：0.3％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。

如图1所示，是本实施例的修复示意图，整个修复过程采用LMD8060型激光熔覆设备进行，具体的修复步骤如下：

(1)按上述质量元素配比称取纯Al、Al-Mg、Al-Si、Al-Sc、Al-Zr金属块，采用真空气雾化方式制粉；

(2)根据母材(6061-T6材料)的结构件受损部位的面积和深度，将受损部位切割成如下规则形状的通槽：桶槽的横截面为一倒置的等腰梯形，上底为1mm，下底为9mm，高为4mm，腰的倾斜角为45°；

(3)将切割部位用角磨机进行打磨，并用表面活性剂进行清洗清洗以除去表面氧化物；

(4)将母材置于水LMD8060型激光熔覆设备成形仓组装的水冷箱中，采用气幕喷嘴用高压高纯氩气将待修复区域水分排开，在水下环境中形成局部干腔；

(5)采用LMD8060型激光熔覆设备进行修复，并向水冷箱内通入循环冷却水进行水冷；进行水下激光修复6000系铝合金的激光参数为：激光功率1800W，扫描速度为800mm/min，层间厚度为0.5mm，搭接率为65％。

所得修复件熔覆区与母材过渡区经腐蚀后，其金相组织如图2所示。熔覆区无裂纹，有少量气孔，致密度达到99.4％。修复件拉伸强度为302MPa，断裂延伸率为15.4％；母材拉伸强度为290MPa，修复件抗拉强度可达母材的104％。

使用显微硬度计，加载力为100g，加载时间为15s测定过渡区域的硬度演变，如图3所示，热影响区未软化。

实施例2

配制本实施例2的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料成分，以质量百分比计为：Mg：7.5％、Si：1.5％、Zr：1.0％、Sc：0.35％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。

修复方法与实施例1相同。

通过观察金相图发现熔覆区无裂纹，有少量气孔，致密度达到99.6％。修复件拉伸强度为298MPa，断裂延伸率为15.2％；母材拉伸强度为290MPa，修复件抗拉强度可达母材的103％。测定过渡区域的硬度演变，发现热影响区未软化。

实施例3

配制本实施例3的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料成分，以质量百分比计为：Mg：4.5％、Si：1.0％、Zr：1.2％、Sc：0.2％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。

修复方法与实施例1相同。

通过观察金相图发现熔覆区无裂纹，有少量气孔，致密度达到99.0％。修复件拉伸强度为291MPa，断裂延伸率为15.0％；母材拉伸强度为290MPa，修复件抗拉强度可达母材的100％。测定过渡区域的硬度演变，发现热影响区未软化。

实施例4

配制本实施例4的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料成分，以质量百分比计为：Mg：10％、Si：1.0％、Zr：1.2％、Sc：0.2％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。

修复方法与实施例1相同。

通过观察金相图发现熔覆区无裂纹，有少量气孔，致密度为88.0％。修复件拉伸强度为290MPa，断裂延伸率为15.0％；母材拉伸强度为290MPa，修复件抗拉强度可达母材的100％。测定过渡区域的硬度演变，发现热影响区未软化。

对照例1

将实施例1中Mg含量调整为2％，其余条件均与实施例1相同，通过观察金相图发现熔覆区无裂纹，有一定量气孔，致密度为98.2％，修复件拉伸强度为263MPa，低于母材290MPa的拉伸强度，断裂延伸率为9.8％。测定过渡区域的硬度演变，发现热影响区未软化。

对照例2

将实施例1中Zr含量调整为3％，其余条件均与实施例1相同，通过观察金相图发现熔覆区无裂纹，有大量气孔，致密度为96.4％，其熔覆区金相组织如图4所示，修复件拉伸强度为235MPa，低于母材290MPa的拉伸强度，断裂延伸率为7.2％。测定过渡区域的硬度演变，发现热影响区未软化。

对照例3

将实施例1中Si含量调整为0％，其余条件均与实施例1相同，通过观察金相图发现熔覆区无裂纹，有一定量气孔，致密度为97.8％，修复件拉伸强度为251MPa，低于母材290MPa的拉伸强度，断裂延伸率为8.2％。测定过渡区域的硬度演变，发现热影响区未软化。

对照例4

将实施例1局部干法水下修复工艺改为保护气氛空冷修复，步骤如下：

(1)按一定质量元素配比称取各中间合金金属块，采用真空气雾化方式制粉；

(2)根据母材结构件受损部位的面积和深度，将受损部位切割成如下规则形状的通槽：桶槽的横截面为一倒置的等腰梯形，上底为1mm，下底为9mm，高为4mm，腰的倾斜角为45°；

(4)将母材置于水LMD8060型激光熔覆设备成形仓组装的水冷箱中，排出水冷箱内的水，采用气幕喷嘴用高压高纯氩气使母材结构件受损部位表面形成保护气氛；

(5)采用LMD8060型激光熔覆设备进行修复，并使修复后的结构件自然冷却。其余条件均与实施例1相同。

通过观察金相图发现熔覆区无裂纹，有少量气孔，致密度为99.2％，修复件拉伸强度为205MPa，低于母材290MPa的拉伸强度，断裂延伸率为7.2％。测定过渡区域的硬度演变，过渡区域的硬度演变如图5所示，热影响区大范围被软化。

对照例5

将实施例1局部干法水下修复工艺的激光参数改为：激光功率1000W，扫描速度1000mm/min，其余条件均与实施例1相同，通过观察金相图发现过渡区及熔覆区有大量未熔合缺陷，界面结合差，修复件拉伸强度为175MPa，断裂延伸率为3.2％。

本发明利用3D打印的极端快速非平衡凝固的特征创造新材料，开发一种激光修复6000系铝合金的修复材料。本发明利用3D打印快速凝固效应和高Mg含量获得超饱和固溶的Al-Mg合金，同时高Mg含量降低铝合金的层错能，获得长程有序相进一步强化铝合金并抑制裂纹的形成；添加的Si元素减少熔液黏度，有助于已形核的气孔快速逸出，并与Mg形成Mg₂Si强化相；此外，形成的纳米Al₃(Sc,Zr)实现柱状晶-等轴晶的转变，进一步抑制裂纹形成。

合金中Mg的质量分数为4～10％，其目的在于两个方面，其一是提高固溶强化效果；其二是降低Al合金层错能，形成长程有序相。合金中Si的质量分数为1～2％，其目的在于与Mg形成共晶强化相，降低合金凝固温度范围和开裂敏感性的同时，降低合金熔体的黏度和孔隙形成倾向。合金中Zr的质量分数为0.8～1.5％，Sc的质量分数为0.2～0.7％，其目的在于形成Al₃(Sc,Zr)相，有弥散强化、细化晶粒的作用，同时实现柱状晶-等轴晶的转变，抑制裂纹形成。Zr和Sc的数量关系为Zr/Sc≥2，其目的在于使形成的Al₃(Sc,Zr)粒子热稳定性强，抑制已成形部分在内在热处理时的组织粗化。Mg、Zr与Sc的数量关系为Mg/(Zr+Sc)≥4，其目的在于，阻止Al₃(Sc,Zr)相的不连续析出，保持Al₃(Sc,Zr)相与α-Al基体的相干性。

本发明提出的局部干法水下激光修复6000系铝合金的修复方法，不仅解决了受损铝合金深海原位修复的难题，同时提高热量扩散效率，减少激光能量对6000铝合金母材的热影响，抑制热影响区的形成。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，其特征在于：以质量百分比计包括下述组分：Mg：4～10％、Si：1～2％、Zr：0.8～1.5％、Sc：0.2～0.7％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。

2.如权利要求1所述的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，其特征在于：所述Zr和所述Sc的质量比为Zr/Sc≥2。

3.如权利要求1或2所述的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，其特征在于：所述Mg、所述Zr与所述Sc的质量关系为Mg/(Zr+Sc)≥4。

4.如权利要求3所述的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，其特征在于：以质量百分比计包括下述组分：Mg：6.8％、Si：1.2％、Zr：1.1％、Sc：0.3％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。

5.如权利要求3所述的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，其特征在于：以质量百分比计包括下述组分：Mg：7.5％、Si：1.5％、Zr：1.0％、Sc：0.35％，杂质总量不超过0.1％，余量为Al。

6.一种局部干法水下激光修复6000系铝合金的修复方法，其特征在于：包括，

按照权利要求1的质量百分比配置修复材料的预合金粉末；

将母材的受损部位切割成规则的形状；

用高压气体将待修复区域水分排开；

采用激光熔覆系统进行修复。

7.如权利要求6所述的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，其特征在于：还包括，将切割部位进行打磨、清洗以除去表面氧化物。

8.如权利要求6或7所述的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，其特征在于：所述采用激光熔覆系统进行修复，激光功率为1400～1800W，扫描速度为400～800mm/min，层间厚度为0.5mm，搭接率为60～80％。

9.如权利要求8所述的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，其特征在于：所述配置修复材料的预合金粉末，按权利要求1的元素配比称取各中间合金金属块，采用真空气雾化方式制粉。

10.如权利要求6、7、9中任一项所述的用于局部干法水下激光修复6000系铝合金修复材料，其特征在于：得到的修复件修复区组织细小均匀，无裂纹、致密度高，抗拉强度可达母材的100％以上，延伸率达到15％以上。