鈷基合金激光熔覆覆層截形與顯微硬度關系的調控研究

艾金山，李必文，程 強，何 彬，周 炬

（1.南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽421001；2.衡陽技師學院 機械工程系，湖南 衡陽421101；3.南華大學 核科學技術學院，湖南 衡陽 421001）

以鈷基合金作為核級閥門密封面材料可滿足耐沖蝕、耐腐蝕、耐擦傷、耐磨損和高溫紅硬性的工況要求，可實現高安全性和可靠性。鈷基合金的高溫性能較鎳基合金更好，很適于采用激光熔覆。研究表明，采用鈷基合金粉末對核閥密封面進行激光熔覆時，熔覆道截形常呈半月形，如圖1 所示。熔覆層由表及里存在硬度梯度，環形密封面熔覆道出現失圓和不平整的現象[1～3]。既要保證機在加工后得到足夠寬的密封面尺寸，又要有理想的表面硬度值與之匹配，還要節約昂貴的鈷基合金粉末，是核閥表面工程工作者亟待解決的問題。

1 實驗材料與工藝

試件基體材料為0Cr18Ni12Mo3Ti 奧氏體不銹鋼，化學成份（Wt%）為：C燮0.08，Si燮1.00，Mn燮2.00，S燮0.03，P燮0.035，Cr16～19，Ni11～14，Ti5 (C%－0.02)～0.80，Mo2.5～3.5，閥體零件如圖2 所示，試樣據閥體零件結構尺寸設計制作；自熔性合金粉末為長沙礦冶粉末冶金研究所研發的FCo-5，其化學成份（Wt%）及各元素的比熱容、熔化潛熱如表1 所列；粘結劑為2123 粉醛樹脂粉，用分析醇稀釋調合；激光加工機為TJ-HT-T5000 型5 kw 橫流CO2激光器，多模輸出；試件由多軸聯動工作臺驅動。粉末加入方法為預涂敷，在等厚度熔覆試驗中，根據覆層高度在2~2.5 mm 范圍內，進行預涂敷厚度的調整，在預涂層風干后，緩升至390~410 ℃，保溫1.5 h；矩形光斑尺寸a×b=5×4 mm，光斑與工件的位置按圖3 調節，以保證功率利用率。單道掃描，由于基于環形密封面熔覆道易失圓，試樣密封面寬度單邊放了0.3~1 mm的機加工余量；激光加工工藝規準為：激光功率P=2 800~3 200 w，掃描速度。

表1 FCo-5 粉末的成份及各元素的比熱容、熔化潛熱

圖1 熔覆道截形示意圖

圖2 閥體零件圖

圖3 光斑與工件的位置調節

圖4 激光熔覆結合區組織×1 000

2 實驗結果的數學處理

2.1 熔覆道截形曲率半徑數學模型的建立

圖4 為得到良好冶金結合的某試樣的金相圖，其熔覆道截形體視圖如圖5 所示,呈半月形。用大型工具顯微鏡對該截形輪廓進行測量，以CAXA-WEDM 軟件對測量所得系列特征點進行0.2 mm精度下的單圓弧曲線擬合，即可得到該試樣熔覆道截形的曲率半徑，如圖6 所示。將所有試樣熔覆道截形的曲率半徑作為驗證數學模型正確性的依據。

圖5 熔覆道截形體視圖

圖6 熔覆道截形輪廓的單圓弧曲線擬合

文獻[4]提出了基于同軸送粉方法的熔覆道截形曲率半徑數學模型：

式中，

T0為熔池原始溫度;

Tf為熔池最高溫度;

Cp為熔覆材料的比熱;

L 為熔覆材料的熔化潛熱;

ν 為工件移動速度即掃描速度;

ρp為粉末的當量實體密度;

f 為熔覆材料對激光的吸收系數;

P 為激光功率。

該公式未能說明P 為激光器輸出的總功率還是僅用于熔覆層的能量，而實際上加熱基體達到表面熔化所需能量會比熔化粉末層所需能量大得多[5]。另外，通常認為，由于同軸送粉時激光可以直接照射到基體和粉末，粉末熔化時吸收系數高，熔化后的覆層表面吸收系數也高，所以送粉法所需的能量比預涂覆法要小。有基于此，本實驗對式（1）進行了必要的修正，以保證其適用性。

加權考慮預涂覆粉末熔化時的吸收系數及粉末熔化后的覆層表面吸收系數，取熔覆材料對激光的吸收系數f 為0.55；按加熱單位面積基體達到表面熔化所需能量的計算值，將激光器輸出的總功率按比例合理分配到粉末和基體，約為0.148:0.852，即式（1）中的P 修正為k1P = 0148P，單位為w；T0按預熱溫度取為400 ℃，Tf經紅外測溫儀測得為2 600 ℃；Cp為自熔性鈷基合金粉末FCo-5 的定壓比熱容，采用加權平均法公式Cp = （M1C1+M2C2+…+MnCn）/（M1+M2+…+Mn）計算，得Cp為453.12 J/kg.k；同理，熔化潛熱L 為502.70 J/g；ρp取為8.2 g/cm3。

基于預涂覆法的熔覆道截形曲率半徑數學模型為：

以圖5 試件為例，當P=3 000 w，ν=2.8 mm/s 時，在0.2 mm 精度下擬合出的單圓弧半徑為2.69 mm，而按式（2）的計算值為2.61 mm，相對誤差僅為2.97%。本實驗對10個試樣的熔覆道截形輪廓進行了數學處理，相對誤差在3.6%以內。

2.2 顯微硬度分布曲線數學模型的建立

用HXD-1000B 型維氏顯微硬度計對熔覆層、結合層及基體熱影響區進行硬度測試，基于各試樣的統計數據，得到圖7 細實線所示的顯微硬度分布曲線。為使所建模型精確且具實用價值，本研究采用二維曲線擬合與經驗公式查找軟件TableCurve 2D，綜合考查了1.94 mm 等厚度熔覆時，基體以上顯微硬度分布曲線各擬合結果的剩余標準誤差、相關指數、連續性、光滑性、保形性及擬合誤差等因素，得到了迭代擬合的標準有理式數學模型：

式中，

H 為維氏硬度值；

h1為機加工切除的圓弧弓高尺寸。

基體以上顯微硬度分布擬合曲線，如圖7 所示虛線。

圖7 顯微硬度分布曲線及其基體以上部分的擬合曲線

3 覆層截形與顯微硬度關系調控的優化設計模型

進行覆層截形與顯微硬度關系的調控，是為了機加工在切除圓弧弓高尺寸h1及密封面寬度余量2δ 后（參見圖1），得到所需的理想表面硬度值H，且熔覆粉末材料用量最省。

對熔覆道截形建立曲率半徑的數學模型后，其截面積s 與曲率半徑ra、熔覆道工藝寬度l 的關系為：

其中，l 為密封面最終寬度l0加雙邊機加工余量2δ，且基于熔覆厚度h0與激光功率成正比、與掃描速度成反比的事實，可建立關系式：

在h0=1.94 mm 等厚度熔覆的條件下，已知k1=0.148，可求得k1=0.012。

由于ra、h0均為P、ν 的函數，故可認為：

h1與l0、ra的關系為故可認為：

又因h1與H 有式（3）的關系，故可認為：

綜合以上關系，本優化問題可歸結為有約束非線性最優化問題，目標函數為熔覆道截面積s，設計變量為激光功率P 及掃描速度ν，且均可為連續變量。描述為：

利用MATLAB 最優化工具箱進行求解。運行程序，動態給定l0的值之后，可得到目標函數s →min時，l、P、ν、h0、ra、s、H 的值。由于閥門閥體密封面與閥蓋密封面應存在合理的硬度差，所以H 即f5（P，ν)的上、下限可根據實際需要來調整確定。本研究優化程序是按輸入密封面的洛氏硬度值而編制的，以免除人工換算成維氏值的麻煩；H 的HRC 值范圍可在源程序中更改，亦允許動態給定。例如當輸入l0=3 mm時，得到的優化結果如表2 所示。

表2 優化結果

4 結束語

本研究提出在對核閥密封面進行鈷基合金粉末激光熔覆時，密封面熔覆道寬度一定要設計工藝尺寸。在建立熔覆道截形曲率半徑的數學模型、熔覆層顯微硬度梯度分布的數學模型及理清密封面幾何參數、機械性能參數與激光加工參數關系的基礎上，構建了等厚度熔覆條件下粉末用量為目標函數的優化設計模型，實現了覆層截形與顯微硬度關系的調控。這對于激光熔覆的研究和生產具有一定的理論價值和指導意義。

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