摘要
VW63Z稀土镁合金铸件表面微观缺陷经过荧光检测的结果表现为“条状荧光”现象，当该缺陷出现在铸件非加工面时，由于无法经过机械加工去除将直接导致铸件报废。本文探究了铸件表面缺陷的微观组织及其形成机理，结果表明微观缺陷主要成分为稀土氧化物的双层氧化膜，其中部分存在夹杂物；金属液汇流导致表面微观缺陷更易形成。应用激光熔凝技术对铸件表面微观缺陷进行处理，当平顶激光束输出功率为800 W时，重熔层组织呈树枝晶形貌特征，晶粒细小并与基体结合良好，重熔层深度约为915 μm，控制铸件热影响范围的同时基本可以修复铸件表面缺陷，原缺陷位置荧光检测未见条纹状缺陷。
镁合金作为最轻的金属结构材料，兼备高比强度、比模量，优异的导热、电磁屏蔽性能，因此其研究和应用受到广泛关
砂型铸造是目前航天铸造产品中应用最为广泛的造型方法。稀土镁合金常采用砂型铸造的方式进行制
图1 试板铸件表面微观缺陷荧光检测结果
Fig.1 Fluorescence detection results of micro-defects on the surface of castings
工业生产中应对该种缺陷的普遍处理方式为将其与其他表面缺陷归为一类，采用机械加工打磨去除缺陷区域后氩弧焊补焊的方式修补该种缺陷，其主要缺点包括：（1）微观缺陷在铸件表面分布广，挖除时需要考虑铸件表面特征，挖除难度大、工时长；（2）采用氩弧焊补焊修复微观缺陷时，造成的热影响区大，镁合金铸件容易产生裂纹，造成铸件报废。
激光表面处理通常用于强化镁合金的表面性能，主要方法包括激光表面熔凝、合金化、熔覆和复合强化
激光熔凝处理通常作为镁合金表面强化的技术，而将激光熔凝作为表面缺陷修复技术则鲜有报道。本文将对镁合金铸件表面微观缺陷的形成机理进行探究，尝试采用激光熔凝处理修复稀土镁合金铸件表面微观缺陷，讨论激光束光型和输出功率对修复效果的影响。
采用砂型铸造的方法制备VW63Z稀土镁合金。原材料为纯Mg、Mg-20Gd中间合金、Mg-30Y中间合金，晶粒细化剂原材料为Mg-30Zr中间合金。合金熔炼选用坩埚式电阻炉（GR-150-9）。将预热后的原材料按顺序分别放置于坩埚炉中熔炼，熔炼过程中施以一定量的JDMF覆盖剂阻燃，在Mg-30Zr中间合金熔化后加入一定量的JDMJ精炼剂进行精炼除渣、除杂，金属熔液静置25~ 40 min后捞除坩埚底部废渣，采用差压铸造的方式制备某镁合金铸件。
选用等离子体发射光谱仪（ICP， PerkinElmerPlasma 400）对合金成分进行测定，结果如
选用荧光检测方法对VW63Z镁合金铸件进行渗透检测，首先将荧光渗透剂涂在清洁、干燥的铸件表面，待荧光剂渗入表面开口缺陷中后，去除表面多余的荧光剂，施加显像剂，之前渗入铸件表面开口缺陷中的渗透剂被吸出，在黑光灯下铸件表面显示出缺陷的位置，荧光检测方案如
稀土镁合金在浇注过程中会与空气中的氧气反应形成氧化薄
图2 表面膜卷入金属液过程示意图
Fig.2 Schematic diagram of the process of surface film being drawn into molten metal
（a） 顶注
在顶注式重力浇注系统中，金属液依靠重力填满型腔。当金属液下降速度增大到一定值时，液面上的表面膜会被卷入金属液内部，如
VW63Z镁合金铸件荧光检测结果如
图3 铸件荧光检测结果
Fig.3 Fluorescence detection results of castings
VW63Z稀土镁合金铸件表面的微观缺陷处SEM结果如
（a） 低倍显微形貌
（b） 夹杂
（c） 截面形貌1
（d） 截面形貌2
图4 各类表面微观缺陷SEM结果
Fig.4 SEM results of various surface micro-defects
图5 表面微观缺陷EDS结果
Fig 5 EDS results of surface micro-defects
（a） 选区1 （b） 选区2
结合EDS分析结果与试样浇注过程中观察到的现象，可以判断在扫描电子显微镜下观察到的表面富Gd现象即为铸造过程中合金表面产生的膜层导致的，而荧光条纹处的表面膜呈褶皱状，存在大量没有熔合的缝隙。而部分微观缺陷存在的夹杂情况如
观察微观缺陷出现的位置，大致位于浇注系统的两个分布式内浇道当中，由此推测在浇注时内浇道中金属液发生汇流，有可能会导致铸件表面微观缺陷的生成。对浇注系统三维模型及充型过程进行数值模拟，结果如
图6 浇注系统三维模型及充型过程数值模拟
Fig.6 3D model of gating system and numerical simulation of mold filling process
常用的激光束光型分为高斯激光和平顶激光，激光能量分布示意图如
图7 激光束能量分布示意
Fig.7 The energy distribution diagram of laser bea
（a） 高斯激光 （b） 平顶激光
实际的激光加热过程中，光源以光斑的形式照射到工件表面，高斯激光束能量分布近似符合高斯模型，光斑中心能量密度高；平顶激光需要一定的光束整形，能量分布则更为均匀。采用平顶激光和高斯激光两种光型对VW63Z镁合金铸件表面进行加工，将激光熔凝后的试板先用24
图8 重熔组织与基体组织结合部分SEM结果
Fig.8 SEM results of the combined part of the remelted structure and the matrix structure
（a） 原始表面缺陷 （b） 平顶激光 （c） 高斯激光
由
观察两种光型重熔组织上表面如
考虑到铸件激光熔凝后的表面质量要求，选取激光束光型为平顶激光，采用不同激光输出功率（600、800、1 000 W）对VW63Z铸件表面缺陷处进行熔凝处理，铸件截面金相照片如
图9 激光熔凝后铸件截面金相照片
Fig 9 OM images of the cross-section of the casting after laser melting
（a） 平顶激光 （b） 高斯激光
图10 不同功率的平顶激光熔凝后铸件截面金相照片
Fig.10 OM images of the cross-section of the castings after flat-top laser fusion with different powers
（a） 600 W （b） 800 W （c） 1000 W
综上所述，采用平顶激光和高斯激光两种光型的激光束对铸件表面缺陷进行加工，缺陷得到修复，重熔后的组织呈树枝晶状并与基体结合良好；选取不同功率的平顶激光束处理铸件表面缺陷，随着激光束功率增加，枝晶尺寸增大，熔深增加，同时热影响区增大。考虑到铸件表面质量要求和控制激光熔凝的热影响区范围，最终选取激光熔凝的光型为平顶激光，激光束的输出功率为800 W。
采用光型为平顶激光、输出功率为800 W的CO2激光器对VW63Z镁合金铸件表面存在微观缺陷的部分进行激光熔凝处理，处理后的样品采用荧光检测的方法进行渗透检测，结果如
图11 荧光检测结果
Fig.11 The results of fluorescence detection
激光熔凝后的样品表面经打磨后尺寸符合验收标准，对铸件本体以及激光熔凝区域分别取样加工，样品经T6热处理后进行力学性能检测，结果如
T6状态下母材的性能平均值为Rm=320 MPa，激光熔凝区样品Rm=241 MPa，为母材的75.3%，激光熔凝区与母材结合良好，力学性能满足使用条件。
（1）稀土镁合金VW63Z铸件表面微观缺陷大多数为细小裂纹，裂纹的形成与稀土元素氧化、金属液汇流、砂型发气、砂粒脱落等因素有关；表面缺陷主要成分为稀土氧化物的双层氧化膜，包括氧化镁、氧化钇和氧化钆，其中部分存在夹杂物，包括氧化膜夹杂与砂粒夹杂；
（2）采用平顶激光和高斯激光两种CO2激光对VW63Z铸件表面缺陷进行熔凝处理，重熔层组织呈树枝晶状，晶粒细小并与基体结合良好。当激光束选取为平顶激光时，重熔组织上表面更为平整；
（3）随着激光输出功率增加，VW63Z铸件重熔层枝晶尺寸增大，熔池深度增加，同时铸件热影响区增大。当激光束输出功率为800 W时，熔深约为0.915 mm，控制铸件热影响范围的同时基本可以修复铸件表面缺陷，
（4）原缺陷位置经激光熔凝处理后荧光检测未见条纹状缺陷，T6状态下激光熔凝区样品Rm=241 MPa，为母材的75.3%，激光熔凝区与母材结合良好，力学性能满足使用条件。
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