掃描路徑對薄壁件激光熔覆涂層形變的影響

梁志剛，戰金明，師文慶*，謝玉萍，黃 江，安芬菊

（1.廣東海洋大學電子與信息工程學院，湛江524088；2.廣東海洋大學機械與動力工程學院，湛江524088）

引 言

隨著中國傳統農業逐步向機械化和自動化的方向發展，聯合收割機以其優秀的性能在全國范圍的應用越來越多。其中割刀是保障收割機性能的關鍵部件，也是故障頻發、極易磨損的部件，其質量對于聯合收割機的產品質量有著極大的影響。激光熔覆是一種新興的表面改性技術，它可以在割刀表面制備所需要的高性能合金熔覆涂層，從而提高割刀的性能和使用壽命，如硬度、耐磨性、耐蝕性、抗氧化性等［1］。但割刀是屬于薄壁鋼材器具，其屈服強度極限較低［2］。在應用激光熔覆技術提升其所需性能時，割刀薄壁處極容易產生形變，影響割刀的使用性能。

激光熔覆是由多種變量相互作用的過程，例如激光功率、掃描速率、光斑大小等。這些變量稱為激光工藝參量，是基材產生形變的主要因素［3-4］。通過優化激光工藝參量，可以有效地控制激光的熱能量輸入和基體的形變［5-7］。在此基礎上，選擇不同的掃描路徑同樣也會對熔覆效率、熔覆的精度、表面質量和基材變形產生巨大影響［8］。LIU等人［9］通過建立激光熔覆溫度場／應力場有限元分析模型，對比分析不同掃描路徑對基材溫度場、應變場和形變的影響。HAN等人［10］利用SYSWELD軟件模擬304不銹鋼在不同掃描路徑下的溫度場和應力-應變場的變化情況，以優化激光熔覆工藝參量。目前，掃描路徑對基材形變的研究，多在數值模擬上進行分析，而實驗分析則研究較少［11-14］。本文中擬在模擬分析的基礎上，通過設計實驗去研究和驗證不同掃描路徑對薄壁件激光熔覆鐵基合金涂層形變的實際影響。

1 實 驗

1.1 實驗材料

根據割刀的工作特點，割刀在高速旋轉工作的條件下會受到多次小能量的沖擊。為保證其使用壽命，一般選用碳素工具鋼和彈簧鋼制作。故本次實驗基體材料為T9A高級碳素工具鋼，試樣尺寸為100mm×50mm×2mm，熔覆前試樣表面用100#砂紙磨光，并用酒精清洗干凈。為提升鐵基熔覆涂層的性能，本實驗中選用的熔覆粉末為鐵基粉末和單晶硅粉按40∶1比例混合而成的復合粉末。鐵基粉末選用牌號為Fe60的鐵基Fe-Cr-B-Si自溶性合金粉末（成分見表1）。

Table 1 Chemical composition（mass fraction）of Fe60

1.2 實驗方法

采用XL-800WF光纖傳輸YAG激光加工系統以不同的掃描路徑進行預置粉末式多道激光熔覆實驗，具體工藝參量如表2所示。設定掃描行距為1.5mm，熔覆涂層面積大小均為22.5mm×22.5mm。觀察鐵基合金熔覆涂層的宏觀形貌和形變程度，并測量熔池深度。本文中選擇的3種掃描路徑如圖1所示，分別為Hilbert分形式、輪廓偏置式和光柵式。

Table 2 The technological parameters of the laser cladding experiment

Fig.1 Scanning path diagramsa—Hilbert fracta—contour offse—grating

2 實驗結果與分析

2.1 熔覆涂層表面宏觀形貌

實驗結束后，成功在基材上分別制備了3種熔覆涂層，如圖2所示。由圖可見，Hilbert分形式掃描制備的熔覆涂層質量較差，表面不平整。Hilbert分形式從路徑上來看像由多個“凹”字組成，激光束行走到“凹”字中心處時，激光照射處附近單位面積上的能量供給極其不均勻，熔覆層產生較大高度差導致涂層表面不平整；輪廓偏置式四周形成良好的熔覆涂層，但涂層中心有較大的凹陷。這是由于激光束在四周掃描時，能量均勻供給，沒有形成能量堆積。而激光束到達中心點時，在熱累積的作用下，中心溫度變得很高，導致熔覆涂層過燒，合金元素蒸發，從而產生凹陷；與其它掃描方式相比，光柵式掃描在基材表面形成了致密的熔覆涂層，表面平整、整潔度高，沒有裂紋和氣孔。

Fig.2 The macroscopic feature of cladding coatingsa—Hilbert fracta—contour offse—grating

2.2 熔覆涂層形變分析

Fig.3 Deformation of different scanning paths in z-axis directiona—Hilbert fracta—contour offse—grating

觀察試樣，3種掃描路徑在x軸和y軸方向上均沒有觀察到明顯的形變，故不考慮x軸和y軸方向上的形變量。而在z軸方向上，Hilbert分形式和輪廓偏置式掃描路徑制備的鐵基熔覆層在自然冷卻后都有不同程度的形變，形變特征都是中間凹陷，四周翹曲；而光柵式掃描路徑則幾乎沒有形變，如圖3所示。經測量，輪廓偏置式掃描路徑在z軸上的形變量較大，達到了0.30mm。輪廓偏置式熔覆結束時的位置位于試樣的中心處，同時該處是整個試樣的最大形變點，這是因為熔覆層中心處的溫度是最高的。當激光束到達中心處后，熔覆隨即結束，溫度開始急劇下降，產生較大的溫度梯度和熱應力，導致基材發生較大的形變。而Hilbert分形式和光柵式在激光掃描時并沒有趨向于某一點，熱量相對容易分散，故沒有明顯的最大形變點。Hilbert分形式掃描路徑在 z軸上的形變量為0.12mm，而光柵式掃描路徑則幾乎沒有發生形變。

2.3 熔覆涂層熱應力分析

熔覆涂層的熱應力σth可由下式［15］判定：

式中，E為熔覆層的彈性模量；Δα為基材和材料的線膨脹系數之差；ΔT是熔覆溫度與室溫的差值；γ為泊松比。由（1）式可見，室溫保持不變，而熔覆溫度越高，那么ΔT就會越大，熔覆層熱應力就會越大。

激光熔覆過程的溫度是急劇變化著的，一般很難在實驗過程中直接測得實時的熔覆溫度。但有相關研究表明熔池深度和溫度成正相關的關系，也就是說溫度越高，熔池深度也越大［16］。因此通過分析熔池深度的大小，可以探究激光熔覆過程中熱應力的分布狀況。

垂直于x軸，在熔覆層x方向上的中心處截取橫截面。沿著y軸方向分別測量熔池深度，可以得到不同掃描路徑在y方向上熔池深度的變化曲線，如圖4所示。

Fig.4 The curves of bath depth with different scanning paths

由圖4可見，在輪廓偏置式掃描路徑下，熔池深度曲線呈現單個駝峰狀，且峰值位于中心處，達到了0.75mm。這是由于隨著熔覆的進行，熔覆一圈的周期越來越短，熔覆涂層沒有足夠的時間去分散熱量，同時熔覆涂層熱傳導條件不佳，導致熱量在中心處累積，使其溫度越來越高，熔池深度在中心處達到峰值；光柵式掃描路徑的熔池深度隨著距離增大而逐漸遞增，熔覆完成時熔池深度最大，約為0.60mm。這是由于激光束在掃過中線后，到再次返回的過程中有一個散熱的時間差，但這個時間不足以完全將熱量發散掉，會有部分熱量累積到下一道熔覆，故熔池深度隨著熔覆進行而越來越高；而Hilbert分形式掃描路徑的熔池深度較小，在0.02mm～0.10mm之間浮動。

結合不同掃描路徑的形變量，可以發現Hilbert分形式的熔池深度是最小，但其形變量卻不是最小。總體來看，Hilbert分形式掃描分為上下兩個部分。激光束先完成下部區域的掃描，再掃描上部區域。對于單獨一個區域來說，Hilbert分形式可以使待熔覆區域進行有效的預熱，減少溫度梯度，故熔池深度較小。但進行上部區域掃描時，下部區域熔覆已經完成并冷卻凝固了。此時上下兩個區域會產生溫度梯度，從而仍然有一定的形變傾向。

3 結 論

（1）激光熔覆過程中熔池與其附近區域的溫度梯度和基材形變量有著正相關的關系。熔覆時，溫度梯度越大，產生的熱應力越大，基材就越容易產生形變。

（2）輪廓偏置式和Hilbert分形式熔覆涂層質量均不佳，或是表面不夠平整，或是中心會有凹陷，都有著較大的形變傾向，因而不適合用于割刀等薄壁件的激光熔覆；光柵式掃描路徑既可以預熱下一道單道熔覆，又有足夠時間發散多余的熱量，熔池溫度不至于過高，故所制備的熔覆涂層表面平整，且潔凈度高，且對基材的形變傾向最弱，可以滿足薄壁件激光熔覆對熔覆涂層質量的要求。