激光熔覆中工藝參數對形成層幾何特征及硬度影響分析

沈 毅 鴻， 張 元 良， 李 濤， 王 金 龍

( 大連理工大學 機械工程學院, 遼寧 大連 116024 )

激光熔覆中工藝參數對形成層幾何特征及硬度影響分析

沈 毅 鴻， 張 元 良*， 李 濤， 王 金 龍

( 大連理工大學 機械工程學院, 遼寧 大連 116024 )

激光熔覆技術的實質是合金粉末快速熔化和凝固的過程，其形成層的形狀和性能與工藝參數密切相關．為了了解工藝參數對激光熔覆形成層幾何特征及硬度的影響規律，根據正交試驗設計方法設計研究了工藝參數(激光功率、掃描速率、送粉速率)對單道單層熔覆層幾何特征(熔覆層高度、寬度與熔池深度)與硬度影響的試驗，根據試驗結果歸納了工藝參數對單道單層熔覆層幾何特征與硬度的影響規律，解釋了造成這些影響的原因，試驗表明激光功率是影響熔覆層幾何特征的最顯著因素．此外，使用了一個激光熔覆層的幾何特征數學模型對照驗證了試驗結果．

316L不銹鋼；激光熔覆；工藝參數；幾何特征；正交試驗設計

0 引 言

單道單層的激光熔覆技術是激光快速成型、激光熔覆再制造技術的基礎．激光熔覆通過激光束使粉末與基體發生冶金化學反應，并形成性能良好的結合層．它是一個多參數參與影響的工藝，激光功率、送粉速率、掃描速率等工藝參數都將影響噴入的金屬粉末的熔化狀態，并影響到熔覆層的幾何特征與顯微硬度[1]．為了使熔覆層的幾何特征與性能達到技術要求，實現激光熔覆工藝規劃，建立激光熔覆的幾何特征模型，研究工藝參數對激光熔覆層幾何特征及硬度的影響規律是很有必要的．

席明哲等[2]研究了激光功率對316L不銹鋼熔覆層組織性能的影響，認為激光功率為700 W時，制備的不銹鋼零件力學性能最優．黃小偉等[1]研究了316L不銹鋼工藝參數和單熔覆層截面幾何特征之間的定量關系，得出結論：增大掃描速度將導致熔覆層高度、寬度減小；增大激光功率將導致熔覆層高度、寬度增大．Marzban等[3]基于正交試驗設計研究了激光熔覆加工40號鋼時工藝參數對熔覆層的影響，得到了激光功率、送粉速率和掃描速率對熔覆層高度、寬度及熔池深度的影響規律．Sun等[4]在對Ti6Al4V的激光熔覆進行數據分析與參數優化的基礎上，得到了一系列工藝參數對熔覆層幾何特征的影響規律．盡管上述研究在有關激光快速成型中工藝參數對熔覆層幾何特征及性能的影響方面均取得了一定成果，但存在未能使用有效的統計方法、考慮的工藝參數及幾何特征指標不全面等有待更新、補充之處．

本文使用具有良好焊接性能的316L不銹鋼作為熔覆的粉末與基體，使用正交試驗設計的方法，研究單道單層激光熔覆的激光功率、掃描速率、送粉速率對熔覆層幾何特征高度、寬度、熔池深度及顯微硬度的影響規律．

1 試驗條件及方法

1.1 試驗材料

熔覆的基體與粉末材料均為316L不銹鋼．基體熔覆前已經進行過必要的除銹、干燥處理，表面具有良好的熔覆性能．送入的316L不銹鋼粉末均已經過干燥處理，粒度為+150～-45目，堆積密度為4.20 g/cm3，流動率為18.3 s/50 g．

1.2 試驗設備

本試驗采用鞍山煜宸科技有限公司為大連理工大學制造的RS-LCD-4000-D-R型光纖激光熔覆系統，系統所使用的激光器是型號為LDF-4000-100的光纖耦合輸出的半導體激光器，其最大功率為4 000 W，產生的激光波長為900～1 070 nm．

1.3 試驗條件及工藝參數

本文采用正交試驗法設計試驗，選取的變量為激光功率、掃描速率及送粉速率，研究的熔覆層特征包括單道單層熔覆層的寬度W、高度H、熔池深度D及顯微硬度．試樣橫截面的幾何示意圖如圖1所示．根據加工過程中晶體組織是否改變，可以把整個試樣分為4個區域：增材制造的部分稱為熔覆層，原基體被熔化的部分稱為熔池，受熱影響而未熔化的部分稱為熱影響區，未受熱影響的部分稱為基體．

該正交試驗為一個三因素三水平的正交試驗，可使用L9(34)正交表．各因素均根據經驗設置了3個恰當的參數水平，如表1所示．根據正交表確定的試驗安排如表2所示．

熔覆層的幾何特征尺寸使用尼康MA100型倒置金相顯微鏡來測量，顯微硬度為取熔覆層中央部分一點使用MVC-1000B維氏硬度計在3 N力下作用15 s測量3次后取平均值得到．此外，試驗采用同軸送粉的方式，送粉的承載氣與保護氣均為氬氣，承載氣的流量為400 L/h，保護氣的流量為600 L/h，每道熔覆層的長度均為30 mm．

圖1 單道單層熔覆層橫截面示意圖

表1 因素與水平

表2 正交試驗安排與結果

2 試驗結果及分析

(a) 熔覆層高度

(b) 熔覆層寬度

(c) 熔池深度

(d) 顯微硬度

圖2 工藝參數對熔覆層高度、熔覆層寬度、熔池深度、熔覆層顯微硬度的影響

Fig.2 Process parameters′ effect on cladding layer′s height, width, melting pool′s depth, micro hardness

同理可做工藝參數對形成層其他特征影響的折線圖2(b)～(d)．從圖2(b)中可以看出，隨著激光功率的增加，熔覆層寬度近似線性增加，這是因為激光功率增加，能夠熔化的粉末離激光中心的距離增加，熔覆層寬度增加；掃描速率的增加將會導致熔覆層寬度的下降，這是因為掃描速率變快導致粉末受激光照射時間變短，能夠熔化的粉末變少；隨著送粉速率的增加，熔覆層寬度先增后減，這與粉末增多導致參與熔覆的金屬粉末與遮光率均增加之間的相互影響有關．從方差分析可知，3個工藝參數對寬度的影響從大到小依次為激光功率、送粉速率和掃描速率．a=0.05時的F比表明，激光功率對熔覆層寬度的影響具有顯著性．

從圖2(c)中可以看出工藝參數對熔池深度的影響規律．激光功率與熔池深度呈正比例關系；掃描速率的增加將會導致熔池深度的下降，因為掃描速率增加會減少激光對單位區域的照射時間，導致熔池深度減小；隨著送粉速率的增加，熔池深度先減后增，這也與粉末增多帶來二重影響相關．從方差分析可知，3個工藝參數對熔池深度的影響從大到小依次為激光功率、掃描速率和送粉速率．a=0.05時的F比表明，激光功率與掃描速率對熔池深度的影響均具有顯著性．

顯微硬度主要取決于材料的化學成分與顯微組織，根據快速凝固理論，熔覆形成的熔覆層顯微組織形態主要由金屬粉末的性質與冷卻條件決定．快速凝固形成的組織形態主要取決于溫度梯度與凝固速率以及它們的比值[5]．從圖2(d)中可以看出，隨著掃描速率的增加，顯微硬度增加．這是因為掃描速率增加時，溫度梯度與冷卻速率的比值降低，晶體組織隨之變小，熔覆層的晶體由粗大的柱狀晶、樹枝晶向細密的樹枝晶、胞狀晶轉變，硬度隨著晶粒細化提升[5]；送粉速率增加，顯微硬度增加，這是因為單個粉末顆粒的受熱減少，冷卻變快，晶粒組織細化；隨著激光功率增加，顯微硬度隨之先降后升．

3 激光熔覆的幾何特征模型

本文在國內外關于激光熔覆幾何特征模型研究的基礎上[6-8]，理論推導得出激光熔覆的幾何特征模型．在考慮激光束的功率密度、粉末流對激光的衰減率及輻射、對流導熱散失的能量，忽略熔池的內部對流與表面張力、承載氣與保護氣對熔池的擾動等影響因素后，假設熔覆層的邊界由距激光束最遠的被完全熔化的粉末決定，并根據熔覆層質量守恒及激光能量守恒，可以理論推導得到熔覆層寬度W、高度H及熔池深度D的表達式：

(1)

(2)

(3)

式中：η為粉末流的遮光率，α為激光吸收率，R為光斑半徑，rp為單個粉末顆粒球的半徑，ρ為金屬粉末的密度，c為金屬粉末的比熱容，ΔHm為金屬粉末的熔化相變熱，T為粉末熔點，T0為環境溫度，Δt為粉末顆粒在激光束中受照射時間的最大值，ε為全發射系數，σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數，h*為熱交換系數，k為粉末有效利用系數，β為熱有效利用率，P為激光功率，vp為送粉速率，vs為掃描速率．

本試驗所使用的模型所需工藝參數如表3所示．將各組工藝參數代入模型計算后得到的理論值與試驗值進行比較，作折線圖3．

表3 激光熔覆工藝參數及幾何特征模型系數

Tab.3 Process parameters and geometric model′s parameters of laser cladding

R/mmrp/mmΔHm/(J·kg-1)c/(J·g-1·K-1)εT/KT0/K20．082940000．5020．641673293kρ/(kg·m-3)h/mmh?/(W·m-2·K-1)αβv0/(m·s-1)0．37980141000．40．12注：h為噴嘴到基體的距離；v0為粉末速度．

(a) 熔覆層高度

(b) 熔覆層寬度

(c) 熔池深度

圖3表明，雖然模型的預測結果基本符合實際試驗情況，但仍存在一定誤差．利用理論值和試驗值計算可得，熔覆層高度的平均相對誤差為42%，熔覆層寬度的平均相對誤差為14%，熔池深度的平均相對誤差為60%，總平均相對誤差約為38%．模型精度低的原因，除了與隨機誤差有關以外，還可能是建模過程中簡化模型做出假設、忽略了一些可能對熔覆層幾何特征有影響的因素所造成．例如，建模中提出各參數，如粉末利用系數、基體熱利用率，均為根據實驗條件設置的常數，而在實際過程中這些參數有可能隨著工藝參數的改變而發生變化，可通過引入修正函數[6]等方法對模型進行進一步優化．

4 結 論

(1)隨著激光功率與送粉速率的增加，熔覆層高度增加；掃描速率的增加將會導致熔覆層高度的下降．

(2)隨著激光功率的增加，熔覆層寬度近似線性增加；掃描速率的增加將會導致熔覆層寬度的下降；送粉速率的增加則會導致熔覆層寬度先增后減．激光功率對熔覆層寬度的影響具有顯著性．

(3)隨著激光功率的增加，熔池深度近似線性增加；掃描速率的增加將會導致熔池深度的減小；送粉速率的增加將會導致熔池深度先減后增．激光功率與掃描速率對熔池深度的影響均具有顯著性．

(4)激光功率增加，顯微硬度隨之先降后升；送粉速率與掃描速率增加，顯微硬度提高．

[1] 黃小偉,習俊通,LEBRUN J L,等. 工藝參數對激光熔覆成形316L不銹鋼形狀的影響規律[J]. 激光與光電子學進展, 2011, 48(7):114-119.

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Analysis of effect of process parameters on forming layer′s geometric characteristics and hardness in laser cladding

SHEN Yihong, ZHANG Yuanliang*, LI Tao, WANG Jinlong

( School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Laser cladding is the process that alloy powders get melted and solidified rapidly. The shape and properties of forming layer are closely related to process parameters. To study the effect rules of laser cladding process parameters on forming layer′s geometric characteristics and hardness, an orthogonal experiment is designed to explore the influence of laser power, scanning speed and powder feed rate on single-line single-level cladding layer′s geometric characteristics, including the height and width of the cladding layer, the depth of the melting pool and the hardness. The effect patterns of those process parameters on single-line single-level cladding layer′s geometric characteristics and hardness are concluded and their underlying reasons are explained. The experiment results show that laser power is the parameter with the most significant effect on the cladding layer′s geometric characteristics. A mathematical model of laser cladding layer′s geometric characteristics is used to validate the results of the experiments.

316L stainless steel; laser cladding; process parameters; geometric characteristic; orthogonal experimental design

1000-8608(2017)03-0247-05

2016-10-19；

2017-03-25．

國家自然科學基金資助項目(51375074)；“九七三”國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2011CB013401.1).

沈毅鴻(1994-)，男，碩士生，E-mail:hooray@mail.dlut.edu.cn；張元良*(1959-)，男，教授，E-mail:zylgzh@dlut.edu.cn.

TG174.4

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10.7511/dllgxb201703005