鎳鐵鋁混合粉末的激光熔覆冶金研究

昝少平, 焦俊科, 王 強, 陶 俊, 張文武

(1.中國科學院 寧波材料技術與工程研究所，寧波 315201； 2.中國科學院大學 材料科學與光電技術學院，北京 100049)

鎳鐵鋁混合粉末的激光熔覆冶金研究

昝少平1,2, 焦俊科1*, 王 強1, 陶 俊1,2, 張文武1

(1.中國科學院 寧波材料技術與工程研究所，寧波 315201； 2.中國科學院大學 材料科學與光電技術學院，北京 100049)

為了利用高能激光束將鎳、鐵、鋁金屬單質的混合粉末快速熔融，得到高性能的鎳鐵鋁合金，并直接用于熔覆，采用激光3-D打印的金屬粉末成型的方法，用一臺中低功率的光纖激光器，以工程中常用的軋制不銹鋼板為基底，研究了一定比例的鎳、鐵、鋁混合粉末的熔覆冶金情況。通過優化激光工藝參量(激光頻率、掃描速率、激光功率和離焦量)組合，得到了質量良好的單道熔覆結果。通過激光共聚焦顯微鏡、晶相顯微鏡以及掃描電子顯微鏡等檢測手段，對熔覆條的宏觀形貌和微觀組織進行觀察。結果表明，可獲得良好的無氣孔無裂紋的合金組織，且合金與基板形成了良好的冶金結合；熔覆層硬度低于基板硬度30HV左右，但截面硬度分布均勻。該研究有助于得到各向性質統一的冶金層。

激光技術；鎳鐵鋁；激光熔覆工藝；熔覆冶金；激光3-D打印

引 言

鎳基合金由于其良好的耐腐蝕和耐高溫性能，在海洋、環保、能源等領域中得到了大量的應用。尤其是鎳鋁合金，是一種基于Ni基超合金發展出來的新材料，具有高熔點、低密度、良好導熱性、優異抗氧化性，是極具潛力的高溫結構材料和功能材料[1-3]。但是室溫脆性、不足的高溫強度和高溫蠕變抗力等問題一直制約著NiAl合金作為航空發動機葉片材料[4-5]。根據GUHA等人[6-7]的研究，發現在NiAl合金中添加Fe，可以顯著改善合金的室溫塑韌性。其中金屬原子含量比例為Ni-20Al-30Fe的合金，具有的(β′+γ/γ′)合金相表現出較好的室溫韌性和屈服強度特性。之后，QI等人[8]在此基礎上，發現了在鎳鐵鋁合金中加入Nb元素，形成的合金在950℃～1100℃表現出超塑性的良好性能。

在激光技術高速發展并成功應用的今天，利用激光的高能光束以及快冷的性質進行冶金，可以進一步提高材料的室溫塑性，且合金元素分布均勻、性能穩定、制造周期短等一系列優點，遠優于傳統的鑄造和粉末冶金技術。國內學者已經對鎳基合金涂層進行了研究，尤其是對Ni-Al,Fe-Al二元合金的熔覆制備開展了大量的研究。SONG等人[9]利用鎳基合金涂層對35CrMo電機主軸表面進行改性，并證明其更能滿足工程應用。CHEN等人[10]在H13鋼表面獲得樂表面平整光滑、組織致密、強化效果顯著的鎳基合金熔覆層。YANG等人[11]證明了優化激光熔覆制備時的工藝參量可以獲得冶金質量良好的合金樣品。CHENG等人[12-16]研究了激光熔覆合成Ni-Al和Fe-Al，在合適的激光工藝參量下，獲得了與基體之間良好結合的合金熔覆層，且熔覆層組織致密、無宏觀裂紋、雜質等缺陷，其中鎳鋁合金的組織有利于降低熔覆層的脆性。目前，雖然對Ni-Al等二元合金的熔覆制備情況研究的比較多，但是對Ni-Fe-Al等三元合金，還缺少實際的熔覆制備研究。

目前已有學者利用激光立體成形技術進行高性能、大尺寸的鎢合金零件的制備[17]。因此，利用新興的激光3-D打印技術的原理，進行混合鎳鐵鋁合金的制造以及熔覆強化，是一種可行且成本較低的材料制備方法，也是新材料制備的發展趨勢，有較高的工程應用價值。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置和參量設計

熔覆冶金實驗在3維光纖激光加工系統上進行。該系統包括一臺國產500W光纖激光器(波長1064nm，最高功率500W)、XYZ運動系統、激光焊接頭、惰性氣體保護系統和熔覆工裝系統等。其中，激光焊接頭的聚焦鏡焦距為125mm，激光束準直聚焦后的光斑直徑為150μm。

氧化控制是決定熔覆質量的關鍵。為了避免熔覆層的氧化，自行設計了一套惰性氣體保護系統。該系統為一個樹脂箱體(200mm×200mm×80mm)，箱蓋開孔后蓋上高透石英玻璃，形成一個直徑為80mm的透視窗，箱底設計有載物臺和夾具，可避免試樣隨平臺運動時的晃動。熔覆過程中，激光束透過石英玻璃透射窗口對試樣進行加工，同時不斷通入高純氬氣以保證熔覆試樣一直處在氬氣的氛圍內(如圖1所示)。

Fig.1 Testing apparatus and schematic diagram

實驗中可調工藝參量為激光頻率、功率、掃描速率以及離焦量等，工藝參量可調范圍見表1。通過前期的實驗發現，激光器頻率對熔覆質量的影響較小，因此將激光器的頻率作為定量，設為常用數值1000Hz。

Table 1 Adjustable range of process parameters

在激光表面熔覆過程中，單道熔覆的質量直接決定面熔覆的質量，開展單道熔覆工藝的研究是進行面熔覆工藝研究的基礎，因此，本文中利用單道熔覆對混合金屬粉末的熔覆冶金進行研究。實驗過程中，激光束沿著同一個方向進行掃描，掃描的寬度(14mm)略大于鋪粉寬度(12mm)，相鄰熔覆條之間的距離設置為5mm，以防止熔覆條之間相互影響(如圖2所示)。

Fig.2 Schematic diagram of cladding path

1.2 實驗材料準備

實驗中使用的粉末為Alfa Aesar公司生產的高純度單質鎳、鐵和鋁粉末，粉末顆粒的平均粒徑都在10μm以下。基板為工程中較為常見的軋制304#不銹鋼，厚度為2mm。

基于其他學者的研究結論，將3種金屬粉末按原子數分數比Ni-20Al-30Fe進行換算后，鎳鐵鋁粉末質量比為Ni-10Al-33Fe，精密測量后混合，并人工充分攪拌均勻。用600#砂紙對基板表面進行打磨，并用無水乙醇進行清洗，以除去基板表面的雜質和油污。實驗中利用自行設計的模具進行預置鋪粉，以保證粉厚(0.8mm)的均勻性，為保證熔覆過程的穩定性和熔覆層的純度，鋪粉過程中未添加其它粘結劑。

2 結果與顯微組織分析

2.1 粉末形態

分別在500倍和1000倍的掃描電子顯微鏡下，對單粉形貌和混合后的狀態進行了觀察，觀察到的粉末微觀形貌以及均勻混合之后的情況如圖3所示。

從圖中可以看出，除了鋁粉形狀不太規則外，鎳粉和鐵粉都呈規則的球狀，而球狀粉末具有良好的流動性，有助于鋪粉的均勻性。從粉末的混合情況可以看出，鎳、鐵金屬粉顆粒較小，均勻分布在粉末各處，有少量的大顆粒鎳粉和鋁粉浮在混合粉末表層。鎳、鋁粉末顆粒平均粒徑略大于鐵粉末。

Fig.3 Morphology of the elementary substance powder and the mixed powder

2.2 熔覆工藝參量及結果

熔覆現象與一般的焊接現象類似，火花飛濺，尤其在高功率、低離焦量條件下，火花飛濺現象尤為顯著。

經過對工藝參量調整和優化之后，對鎳、鐵、鋁3種混合粉末進行了熔覆實驗。優化之后的實驗參量如表2所示，實驗結果如圖4a所示。

Table 2 The optimized parameters of cladding process

Fig.4 a—single cladding after optimizing before and after wiping off the powder b—surface morphology of the cladding strip

從圖4a 中可以看出，優化后的單道熔覆條表面質量良好，有金屬光澤，在該混合比例之下的混合粉末，熔覆條兩邊未形成夾粉，說明混合粉末的導熱性良好。根據實驗過程中的工藝參量和熔覆條宏觀形貌，可以得出參量組合對于熔覆條寬度的影響規律，即激光功率和離焦量一定的情況下，掃描速率越低，得到的熔覆條越寬；在掃描速率和離焦量一定的情況下，激光功率越低，得到的熔覆條越寬；在掃描速率和激光功率一定的情況下，離焦量越大，得到的熔覆條越寬。反之，則越細。這主要與激光熱輸入比能量有關[18]，見下式：

式中，E為激光熱輸入比能量，P為激光功率，v為激光掃描速率，S為激光光斑面積。因此可知，當熱輸入比能量E越高時，即P越大，v和S越小時，熔覆條寬度也越寬。但是，在激光熱輸入充足的情況下，當離焦量增大即激光光斑面積增大時，由于作用的粉末范圍大，因此形成的熔覆條寬度也較寬。

在放大倍數為200倍的激光共聚焦顯微鏡下，對于優化后的熔覆條表面質量和3-D形貌進行了觀察，觀察結果如圖4b所示。

從圖4b可以看出，第1道～第6道熔覆條，在零離焦的情況下，其表面形成了穩定的熔覆紋，有金屬光澤，且沒有出現明顯的裂紋和氣孔。但在熔覆過程中有少量的飛濺落在其表面，形成了點狀凸起。在離焦條件下，如第7道、第8道熔覆條，由于光斑的能量密度減小，降低了熔融粉末與未熔粉末之間的溫度梯度，因此形成的熔覆紋沒有聚焦情況下的明顯，表面粗糙度較小，但可能會由于溫度梯度較小，造成組織晶粒粗大，而影響其力學性能。

隨機選取第4道熔覆條進行3維形貌觀察,如圖5所示。可以看出，熔覆條橫向展開較好，在不銹鋼基板上的弧度角較大，即熔覆材料和基板的潤濕情況較好，有助于在多道搭接熔覆時，得到表面粗糙度較小的熔覆層。

Fig.5 3-D morphology of the forth cladding strip

2.3 顯微組織和熔覆質量分析

為了進一步觀察和分析熔覆粉末材料與基板的結合情況，以及熔覆材料的顯微組織成形情況。選取了其中一條單道熔覆試樣，用王水腐蝕后，在掃描電子顯微鏡和金相顯微鏡下,對其截面進行了觀察，觀察結果如圖6所示。

Fig.6 a—scanning electronic mirror microstructure of the substrate and cladding layer b—metallographic structure of the cladding layer

從圖6a中可以看出，熔覆層顯微組織與不銹鋼基板明顯不同。其中基板組織為常見的奧氏體不銹鋼組織，熔覆條組織主要為鎳鐵鋁3種元素的金屬間化合物。從熔覆層與基板的結合圖中可以看出，熔覆層與基板形成了穩定的冶金結合層。另外，基板上有少量的氣孔，而熔覆層無明顯的氣孔和裂紋，說明熔覆層合金質量良好。

從圖6b中可以看出，熔覆層形成了良好具有長程無序結構的柱狀晶和等軸晶組織，說明熔覆粉末之間形成了穩定的合金組織，證明了激光在熔覆冶金方面的可行性。

熔覆層組織致密，在熔池冷卻時，熔融的合金液體會沿著降溫最快的方向結晶。由于與熔池接觸的空氣和不銹鋼基板的導熱系數不同，因此熔池的溫度梯度在各方向的不同，導致散熱方向不同，所以形成的組織在結晶方向上有所不同，在圖6中顯示出黑白相間的組織形態，但總體上，凝固后形成的柱狀晶組織相互交錯，在力學性能上即表現出各向同性的特點。

3 檢測分析

3.1 X射線衍射分析

為了確定組織的成分，對熔覆層組織進行了X射線衍射分析(X-ray diffraction,XRD)，分析結果如圖7所示。

Fig.7 XRD patterns of the cladding layers

通過對組織的XRD分析發現，熔覆層內部組織的主要成分為固溶有Fe元素的Ni3Al,NiAl和AlFe3。位于2θ為80°～85°之間的波峰發生重疊，經分析發現還有可能含有AlFe等金屬間化合物(未在圖中標出)。可以確定，在鎳鐵鋁金屬粉末在和基板在熔覆的過程中，形成了新的合金相，得到了固溶Fe元素的NiAl合金，即達到了激光熔覆冶金的目的。根據前人的研究可以得出，固溶有Fe元素的Ni3Al金屬間化合物的出現，能夠改善熔覆層的室溫脆性，提高韌性。

3.2 顯微硬度檢測

在200g的壓力、保壓15s的條件下，用型號為FM-700e的硬度測試儀，對不銹鋼基板以及熔覆層顯微硬度進行了檢測。在不銹鋼基板上取點結果如圖8

Fig.8 The selected hardness points in the cladding layer

所示。

顯微硬度測量過程中，分別從水平方向和豎直方向對熔覆層的硬度進行了測試，硬度值及其分布規律如圖9所示。其中水平方向平均值為159.72HV，豎直方向平均值為155.68HV。基板測量結果取平均之后的值為195.13HV。從硬度測量的結果可以看出，熔覆層硬度要低于基板硬度，平均值低30HV左右，熔覆層屬于重鑄層，且沒有加入硬質強化相，硬度較不銹鋼基板有所降低是正常現象，并且考慮到維氏硬度測量過程中存在的誤差，熔覆層硬度降低的程度在可接受范圍內。

Fig.9 a—hardness distributes in the horizontal direction b—hardness distributes in the vertical direction

從圖9中可以看出，硬度分布在水平方向和豎直方向都有先升高后降低的規律，即中心部分略高于周邊，總的來說熔覆層內部的硬度分布均勻。均勻的硬度分布說明熔覆層組織均勻分布，即各方向有相同的力學性能。

4 結 論

通過一系列的熔覆實驗，成功地獲得了各向同性的具有致密組織的鎳鐵鋁合金，說明了基于激光3-D打印原理，制備高性能的鎳鐵鋁合金的可行性。

(1)多粉熔覆過程中，在合理的工藝參量控制下，可以得到致密良好的新合金組織。

(2)合金的組織在凝固過程中，除了在聚焦情況下，熔覆組織分層以外，在離焦情況下的熔覆組織，由于快冷的原因，所形成的結晶組織在小范圍具有方向性，不同結晶區域重合的位置有明顯的分界，而總體上熔覆層具有組織均勻、各向同性的性質。

(3)鎳、鐵、鋁3種粉末在激光熔覆下，可以得到固溶Fe元素的Ni3Al金屬間化合物，可以改善熔覆層的室溫脆性。

(4)激光熔覆制備合金的過程中，熔化的基板金屬元素可能會混入熔覆層金屬中，影響熔覆層合金的純度和性能，因此需要選取合適的基板進行熔覆冶金。

[1] NOEBE R D, BOWMAN R R, NATHAL M V. Physical and mechanical properties of the B2 compound NiAl [J]. International Material Review, 1993，38(4):193-232.

[2] GUO J T. Ordered intermetallic compound nial alloy[M]. Beijing: Science Press,2003:47-51(in Chinese).

[3] MIRACLE D B. The physical and mechanical properties of NiAl[J]. Acta Metallurgica Et Materialia, 1993, 41(3):649-684.

[4] DAROLIA R. NiAl alloys for high-temperature structural applications[J]. Journal of the Minerals, Metals and Materials Society: 1991, 43(3):44-49.

[5] JIANG Y, HE Y H, HUANG B Y,etal. Progress in current research on NIAI intermetallic alloys[J]. Powder Metallurgy Materials Science and Engineering, 2004, 9(2):112-120(in Chinese).

[6] GUHA S, BAKER I, MUNROE P R. Elevated temperature deformation behaviour of multi-phase Ni-20 at % Al-30 at % Fe and its constituent phases[J]. Journal of Materials Science, 1995, 31(15):4055-4065.

[7] GUHA S, BAKER I, MUNROE P R. The microstructures of multiphase Ni-20Al-30Fe and its constituent phases[J]. Materials Characterization, 1995, 34(3):181-188.

[8] QI Y H, GUO J T, CUI C Y,etal. Superplasticity of a directionally solidified NiAl-Fe(Nb) alloy at high temperature[J]. Materials Lett-ers, 2002, 57(3):552-557.

[9] SONG X H, ZOU Y F, XING J K,etal. Comparison between laser cladding Fe-based and Ni-based alloy coatings on 35CrMo[J]. Laser Technology, 2015, 39(1):39-45(in Chinese).

[10] CHEN J F, CHEN G Y, SUN L Y,etal. Investigation of dilution ratio and strengthening effect of laser cladded coating on H13 steel[J]. Laser Technology, 2017, 41(4):596-600(in Chinese).

[11] YANG J X, WANG Y F, WANG Zh Ch. laser cladding Ni/Ni3Al based double performance materials and internal microstructure ana-lysis[J]. Chinese Journal of Lasers, 2015, 42(3):0306006(in Chin-ese).

[12] CHENG G P. Microstructure of laser cladding synthesize Fe-Al coat[J]. Applied Laser, 2010, 30(1):32-26(in Chinese).

[13] CHENG G P, HE Y Zh. Ni-Al intermetallic coatings prepared by laser-cladding synthesize with Ni-based alloy and Al[J]. Journal of Materials Engineering, 2010,38(3):29-33(in Chinese).

[14] TANG Sh J, LIU H X, ZHANG X W,etal. Microstructure and property of selective laser cladding Ni-Al intermetallic compound coating on H13 steel surface[J]. Infrared and Laser Engineering,2014,43(5):1621-1626(in Chinese).

[15] WANG Y F, LI G, WU T X. Laser cladding Fe-Al intermetallics coatings on ZL101 substrate[J]. Chineses Journal of Lasers, 2009, 36(6):1581-1584(in Chinese).

[16] XIONG L L, ZHENG H Zh, CHEN Zh,etal. research status about materials used in laser-clad nanostructured ceramics/metal composite coatings[J]. Materials Review, 2015, 29(12):24-29(in Chin-ese).

[17] WANG P, LIU T W, WANG Sh G,etal. Research of microstructure and properties of tungsten based alloy fabricated by laser solid forming[J]. Laser Technology, 2016, 40(2):254-258(in Chin-ese).

[18] YU D M. Investigation on microstructure and properties of stellite6/TiCn composite coating by laser cladding [D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2014:17-25 (in Chinese).

StudyonlasercladdingmetallurgyofNi-Fe-Almixedpowder

ZANShaoping1,2,JIAOJunke1,WANGQiang1,TAOJun1,2,ZHANGWenwu1

(1.Ningbo Institute of Materials of Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China;2.Coll-ege of Materials Science and Opto-electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to obtain high-performance Ni-Fe-Al alloy from nickel, iron and aluminum elemental powder, based on the molding process of 3-D laser printing for mixed metal powder, a medium-low-power fiber laser was used to study the cladding metallurgy of a certain percentage of nickel, iron and aluminum mixed powder through a series of laser cladding experiments on stainless steel and high temperature nickel-based alloy substrates respectively. During the experiment, the combination of laser parameters (laser frequency, scanning speed, laser power and defocus amount) was optimized and a good single track cladding result was obtained. Its macro-morphology and microstructure were observed by using a laser scanning confocal microscope, a metallographic microscope, a scanning electron microscopy and other means of detection respectively. It is found that, a good alloy without pores and cracks is obtained and a good metallurgical bond is formed with the substrate. The hardness of the cladding layer is 30HV lower than that of the substrate, but the hardness is uniform in the section. The study result is helpful to obtain an isotropic metallurgical layer.

laser technique; Ni-Fe-Al; laser cladding process; cladding metallurgy; laser 3-D printing

1001-3806(2018)01-0131-05

浙江省公益技術應用研究資助項目(2017C31082)；中國科學院裝備研制資助項目(YZ201535)；中國科學院青年創新促進會資助項目(2017343)；國家自然科學基金重點資助項目(U1609208)

昝少平(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為激光多維增材制造技術。

*通訊聯系人。 E-mail:jiaojunke@nimte.ac.cn

2017-03-09；

2017-04-25

TG156.99

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.026