體能量密度對(duì)Ni60/WC激光近凈成型形貌和性能的影響

江吉彬,劉 暢,湯紹釗,黃 旭,練國(guó)富,陳昌榮,馮美艷

(1.福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 福州 350118;2.中華人民共和國(guó)寧德海關(guān),福建 寧德 352100)

1 引 言

激光近凈成形(LENS)技術(shù)是典型的金屬增材制造技術(shù)之一,通過(guò)高精度三軸移動(dòng)平臺(tái)和精確送粉來(lái)完成熔覆過(guò)程,成型精度遠(yuǎn)高于常規(guī)的激光熔覆技術(shù),廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組分異質(zhì)、高附加值零件的制造和修復(fù)。廣大科研工作者從成型精度、機(jī)械性能、微觀組織以及粉末配方等諸多方面對(duì)LENS制備的樣件性能進(jìn)行研究。Wang[1]等研究了LENS工藝中懸垂結(jié)構(gòu)機(jī)制和角度精度對(duì)成型精度的影響,發(fā)現(xiàn)LENS技術(shù)比單向方式沉積的樣件具有更高的幾何精度；Nartu[2]等對(duì)比了LENS技術(shù)和常規(guī)電弧熔化制備的Al0.3CoCrFeNi高熵合金,發(fā)現(xiàn)采用LENS制備的樣件具有更高的屈服強(qiáng)度和更加優(yōu)異的延展性；Wang[3]等研究了超聲波輔助加工對(duì)LENS制備的樣件機(jī)械性能的影響,結(jié)果表明UV-A LENS制備的樣件顯微硬度更高、磨損率更低且彈性模量更大。多數(shù)研究人員將激光功率,掃描速度,層間厚度、掃描間距、送粉效率等,都作為關(guān)鍵參數(shù),研究其協(xié)同作用下最終獲得的成型質(zhì)量、顯微組織和機(jī)械性能,研究中各參數(shù)間交互作用顯著,調(diào)控規(guī)律復(fù)雜難明,而這些參數(shù)的物理本質(zhì),都指向于單位時(shí)間內(nèi)熔池的能量輸入,熔池的能量輸入將直接決定熔池內(nèi)部的熱經(jīng)歷,改變成型質(zhì)量、顯微組織和宏觀性能表達(dá),研究體能量密度具有重要的工程和研究意義。

一些學(xué)者將工藝研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了能量密度這一物理本質(zhì)上,Yan[4]等研究了能量密度對(duì)WC增強(qiáng)馬氏體時(shí)效鋼300的性能影響,發(fā)現(xiàn)能量密度的變化對(duì)樣件的耐磨性能、硬度以及微觀組織影響顯著。葛亞瓊[5]等采用低能量密度工藝在AZ31B 鎂合金表面制備熔凝層,發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光能量密度為26 J/mm2時(shí),熔凝層晶粒細(xì)化程度和 β-Mg17Al12強(qiáng)化相綜合強(qiáng)化效果最好,顯微硬度最高,耐磨性改善程度最好。李勇[6]等采用選區(qū)激光熔化(SLM)技術(shù)制備了Hastelloy X合金,發(fā)現(xiàn)當(dāng)體能量密度為50.9 J/mm3時(shí),合金中的孔隙和微裂紋最少,成形效果最好。楊權(quán)[7]等研究了激光能量密度對(duì)熔覆層表面形貌及稀釋率的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)能量密度在8.49～10.62 kJ/cm2時(shí),金相組織致密,無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。陳秀娟[8]等采用選區(qū)激光熔化技術(shù)成形Inconel625高溫合金試樣,結(jié)果表明:當(dāng)能量密度為50～78 J/mm3時(shí),試樣的相對(duì)密度達(dá)到99.5 %以上。

WC顆粒作為一種高硬度的陶瓷增強(qiáng)相,被廣泛用于金屬-陶瓷復(fù)合涂層的制備中,但WC在高能激光的作用下,存在顯著的熱解傾向[9],導(dǎo)致試樣中產(chǎn)生氣泡、裂紋[10],研究合理的能量輸入大小,有助于在獲得良好成型性能的同時(shí),保留更多的WC增強(qiáng)相,提高宏觀力學(xué)性能,降低缺陷數(shù)量。但是目前在激光近凈成形技術(shù)制備的WC增強(qiáng)Ni基樣件中,能量密度這一本征問(wèn)題對(duì)樣件的性能影響仍需進(jìn)一步研究,引入和研究體能量密度,有利于準(zhǔn)確揭示LENS增材制造過(guò)程的物理本質(zhì)。本文研究了不同能量密度及相同能量密度下不同送粉參數(shù)對(duì)于激光近凈成形技術(shù)制備的WC增強(qiáng)Ni基樣件性能的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用粉末為粒徑44～100 μm的Ni60粉末(見(jiàn)圖1)和納米級(jí)別的WC粉末。Ni60粉末的化學(xué)組成見(jiàn)表1,混合比例為3 %WC和97 %Ni60(體積分?jǐn)?shù))粉末混合球磨?；w為10 mm ×20 mm×40 mm 的45#鋼。

圖1 Ni60粉末SEM圖Fig.1 SEM image of Ni60 powder

表1 Ni60粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)

試驗(yàn)設(shè)備為Optomec公司的 LENS450系統(tǒng),具有254 mm×254 mm×254 mm的成型艙室,激光系統(tǒng)是功率400 W的IPG激光器,XYZ軸的移動(dòng)由電腦控制,設(shè)備使用過(guò)程中有氬氣作為保護(hù)氣體和載氣。LENS系統(tǒng)的示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 LENS系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of LENS system

熔覆前,用無(wú)水乙醇將45鋼基體表面油污清洗干凈,將Ni60/WC粉末置于MITR-YXQM-2L行星球磨機(jī)(MITR,Changsha,China)以300 r/min球磨30分鐘達(dá)到粉末混合均勻的目的,并且將Ni60/WC球磨后的粉末置于真空烘干機(jī)在120 °C環(huán)境中烘干30 min。用LENS設(shè)備(LENS450,OPTOMEC,NM)進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn),熔覆后的樣件隨后進(jìn)行線切割、鑲嵌、打磨、拋光和腐蝕。在顯微硬度計(jì)(MVA-402TS,HDNS,Shanghai)下,加載力為500 gf、保荷時(shí)間30 s條件下進(jìn)行硬度測(cè)量,使用三維顯微系統(tǒng)(KH-1300,HIROX,China)測(cè)量樣件剖面宏觀圖片,使用掃描電鏡(TM3030Plus,Hitachi,Japan)下進(jìn)行金相組織的觀察,在UMT-2(UMT-2,Bruker,Germany)下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),通過(guò)白光干涉儀獲得劃痕形貌,計(jì)算出磨損體積。截面圖中氣孔總面積與截面面積之比定義為缺陷率。

為了研究能量密度、轉(zhuǎn)速和氣流量對(duì)零件硬度、耐磨性和微觀結(jié)構(gòu)的影響,本試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。樣件為為長(zhǎng)方體樣塊,打印的路徑見(jiàn)圖3。測(cè)量樣塊的尺寸、顯微硬度、缺陷率和耐磨性。傳遞到樣塊的能量可以表示為激光能量密度E(J/mm3)[11],公計(jì)算式如下:

表2 試驗(yàn)參數(shù)表

圖3 打印路徑圖Fig.3 Print path

(1)

其中,P是激光功率(W);v是掃描速度(mm/s);s是掃描間距(mm);t是層厚(mm)。因?yàn)長(zhǎng)ENS450設(shè)備的單位是inch,s=0.018 inch,t=0.012 inch,所以為了計(jì)算方便,將公式(1)轉(zhuǎn)換為:

(2)

經(jīng)計(jì)算,有五組能量密度,分別為:238 J/mm3,272 J/mm3,283 J/mm3,291 J/mm3,333 J/mm3。

3 結(jié)果與分析

3.1 宏觀形貌和缺陷率

從圖4可以看出,激光能量密度和送粉效率對(duì)試樣的成型效果起到了決定性的作用。在粉盤轉(zhuǎn)速4 rpm,氣流量4 L/min的狀態(tài)下,成型高度隨著激光密度先升高后降低[12],缺陷率先降低后升高,都在 291 J/mm3時(shí)達(dá)到極值。在激光能量輸入較低時(shí),所能形成的熔池尺寸較小,隨著能量密度上升,熔池體積增大,捕獲顆粒的能力上升,成型效率逐步上升,隨著輸入能量的升高,熔池的最高溫度和溫度梯度上升,熔融液相的流動(dòng)性和對(duì)流作用增強(qiáng),有利于熔池內(nèi)部氣體的逸出和釋放。當(dāng)能量輸入進(jìn)一步上升,在送粉速度相對(duì)較低的狀態(tài)下,大量激光能量直接作用于基體,在光壓和高速升溫過(guò)程產(chǎn)生的氣壓差作用下,激光作用過(guò)程產(chǎn)生了大量火花,熔池在濺射過(guò)程中損失了大量質(zhì)量。同時(shí),高能量輸入下導(dǎo)致的分解和氣化也使得成型效率急劇降低。

圖4 樣件截面宏觀圖Fig.4 Macro view of sample cross section

在同一激光能量密度的條件下,提高氣流量和粉盤轉(zhuǎn)速都可以提升送粉效率,增加熔池獲得顆粒的概率,從而提升成型效率,在所有分組中都觀察到了相近的現(xiàn)象。但當(dāng)送氣量增加時(shí),在8、10、12等樣品截面的中上部分,都觀察到了氣泡聚集的現(xiàn)象。試樣中氣體的主要來(lái)源有三,分別是粉體中殘留的H2O或表面的吸附氣體,保護(hù)氣體在熔池中溶解再析出,以及熔池中WC相部分分解產(chǎn)生的CO及CO2等反應(yīng)生成的氣體[13],當(dāng)送氣量增大時(shí),熔池中溶解的保護(hù)氣體增多,更易使樣塊中的缺陷率上升。在粉盤轉(zhuǎn)速6 rpm,氣流量6 L/min的狀態(tài)下,隨著能量輸入的增加,缺陷率先增加,在達(dá)到291 J/mm3陡然降低,能量輸入繼續(xù)升高后,又有所增加。樣塊中的氣孔缺陷主要來(lái)源是增材過(guò)程中,熔池尚未逸出的氣體組分,能量輸入升高會(huì)導(dǎo)致增加氣體的產(chǎn)生和保護(hù)氣氛的溶解,但更高的熔池溫度又將提高熔池的壽命、粘度和對(duì)流強(qiáng)度,更長(zhǎng)的時(shí)間和更強(qiáng)的對(duì)流作用大大有利于熔池中氣泡的消除。在兩個(gè)方面的共同作用下,熔池中的氣孔缺陷比例呈現(xiàn)了以上規(guī)律,在熔池流動(dòng)性和壽命有限的情況下,對(duì)流作用較弱的情況下,氣孔缺陷的比例隨著能量密度升高而上升,當(dāng)能量密度升高到293 J/mm3時(shí),熔池對(duì)流作用大幅上升,氣泡的合并和逸出概率大幅上升,樣塊中僅存少了氣孔缺陷。當(dāng)能量密度達(dá)到333 J/mm3,熔池溫度進(jìn)一步升高,熔池中組分分解氣化分解的概率進(jìn)一步提高,特別是組分中WC的分解過(guò)程,又帶來(lái)了少量尚未逸出的細(xì)小氣泡殘留。一些樣塊頂部形狀與模型中設(shè)計(jì)的存在一定的偏差,大部分樣品的頂部邊緣都存在一定程度的圓角,與設(shè)計(jì)中的直角邊緣不符。這是因?yàn)轫敳坑捎跓岱e累,熔池具有更高的壽命和流動(dòng)性,在保護(hù)氣體直吹,光壓沖擊以及重力和表面張力的共同作用下,頂部難以保持原有的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),產(chǎn)生形狀誤差。通過(guò)調(diào)節(jié)能量密度和送氣量,可以直接影響頂部形狀精度。13、14號(hào)樣品獲得了較好的頂部形狀精度。

從圖5中發(fā)現(xiàn),能量密度為272 J/mm3(5#、6#、7#、8#樣件)、291 J/mm3(13#、14#、15#、16#樣件)和333 J/mm3(17#、18#、19#、20#樣件)時(shí)每組樣件的高度都呈上升趨勢(shì)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),高度最高和最低的樣件均出現(xiàn)在能量密度為333 J/mm3時(shí),17#(能量密度為333 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速4 rpm、氣流量4 L/min)樣件的高度最低,為4.2 mm；20#(能量密度為333 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速6 rpm、氣流量6 L/min)樣件的高度最高,為22.7 mm。這是因?yàn)楫?dāng)能量密度為為333 J/mm3時(shí),進(jìn)入熔池的粉末均能被熔化,因此高度隨著送粉量的增加而增加,而17#樣件因?yàn)檫M(jìn)入熔池的粉末不足導(dǎo)致重熔,因此樣件高度急劇降低。

圖5 樣件高度圖Fig.5 Sample height chart

從表3中發(fā)現(xiàn),13#樣件的缺陷率最小,為0.07 %,此時(shí)能量密度291 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速4 rpm、氣流量4 L/min；10#樣件缺陷率最大,為5.19 %,此時(shí)能量密度283 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速4 rpm、氣流量6 L/min。從圖6可以看出,當(dāng)能量密度為283 J/mm3時(shí),樣件缺陷率出現(xiàn)了較大波動(dòng),且在送粉盤轉(zhuǎn)速相同的情況下(9#和10#樣件是粉盤轉(zhuǎn)速同為4 L/min,11#和12#樣件送粉盤轉(zhuǎn)速同為6 L/min),氣流量越大,缺陷率越大,造成此現(xiàn)象的原因可能是氣流量過(guò)大,導(dǎo)致熔池中進(jìn)入了大量的保護(hù)氣體[14]。

表3 樣件測(cè)量結(jié)果表Tab.3 Sample measurement result table

圖6 樣件缺陷率圖Fig.6 Sample defect rate chart

3.2 能量密度和顯微硬度的分析

從圖7中可以發(fā)現(xiàn),不同能量密度下樣件的平均硬度整體上呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì),這是因?yàn)楫?dāng)能量密度升高時(shí),缺陷率降低,成型質(zhì)量升高,樣塊的顯微硬度增加；而當(dāng)能量密度過(guò)大時(shí),硬質(zhì)相熱損傷增大,反而降低了熔覆層的顯微硬度[15]。顯微硬度數(shù)值存在一定波動(dòng),是因?yàn)楸驹囼?yàn)采用復(fù)合粉末,且硬度測(cè)量方法是在橫截面隨機(jī)取點(diǎn)15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行,如圖8,顯微硬度計(jì)的壓頭打到熔覆層的不同部位(硬質(zhì)相顆粒、Ni60熔覆層以及氣孔)將表達(dá)出不同的硬度狀態(tài),通過(guò)多次隨機(jī)取樣,獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的硬度數(shù)據(jù)。

圖7 顯微硬度分布圖Fig.7 Microhardness distribution chart

圖8 顯微硬度檢測(cè)示意圖Fig.8 Schematic diagram of microhardness test

各組能量密度下四個(gè)樣件的顯微硬度見(jiàn)圖9,從圖9中發(fā)現(xiàn),19#(能量密度為333 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速6 rpm、氣流量4 L/min)樣件的硬度最小,為62.8 HRC；7#(能量密度為272 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速6 rpm、氣流量4 L/min)樣件的顯微硬度最大,為70.2 HRC。當(dāng)能量密度為272 J/mm3時(shí),相同轉(zhuǎn)速下,氣流量越大,硬度越小。能量密度為272 J/mm3時(shí),樣塊的顯微硬度的范圍為63.8～70.2 J/mm3。能量密度為291 J/mm3時(shí),相同轉(zhuǎn)速下,氣流量越大,硬度越??；相同氣流量下,轉(zhuǎn)速越大,硬度越小。能量密度為333 J/mm3時(shí),相同氣流量下,轉(zhuǎn)速越大,硬度越小。這是因?yàn)闅饬髁颗c送粉量直接相關(guān),過(guò)量送粉可能導(dǎo)致大量粉末未熔,進(jìn)一步導(dǎo)致熔覆缺陷；且保護(hù)氣殘留導(dǎo)致樣件產(chǎn)生氣孔,從而降低了樣件的硬度。

圖9 樣件的硬度Fig.9 The hardness of the sample

3.3 能量密度對(duì)樣塊摩擦磨損性能的影響

在德國(guó)布魯克UMT-2下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),通過(guò)白光干涉儀獲得劃痕形貌,計(jì)算出磨損體積,再根據(jù)公式3進(jìn)行磨損率的計(jì)算,并且設(shè)置磨損參數(shù)如下表5所示:

(3)

其中,ΔV為熔覆層磨損體積；F為磨損過(guò)程加載力；d為磨損滑動(dòng)距離。

為了探究樣件的摩擦磨損性能,對(duì)1#(能量密度為238 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速4 rpm、氣流量4 L/min)、11#(能量密度為283 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速6 rpm、氣流量4 L/min)和20#(能量密度為333 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速6 rpm、氣流量6 L/min)樣件進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。摩擦磨損測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表5 。摩擦系數(shù)及磨損率結(jié)果見(jiàn)表6。磨損形貌見(jiàn)圖11、圖12和圖13。從而表6可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)能量密度為283 J/mm3時(shí),樣件最具有最低的摩擦系數(shù)和磨損率。

表5 摩擦磨損參數(shù)表Tab.5 Friction and wear parameter table

表6 摩擦系數(shù)和磨損率Tab.6 Friction coefficient and wear rate

從圖12可以看出,1#樣件磨損劃痕形貌出現(xiàn)部分片層剝落現(xiàn)象,破碎塊的剝落坑和清晰可見(jiàn)的犁溝,因此1#樣件的磨損機(jī)制主要是磨粒磨損[16]。從圖12可以看出,11#樣件劃痕中有較淺的碾壓痕跡,因此主要磨損機(jī)制為粘著磨損。從圖13可以看出,20#樣件的摩擦劃痕中同時(shí)存在細(xì)微劃痕和犁溝,因此主要磨損機(jī)制為粘著磨損和磨粒磨損[17]。

圖10 1#/11#/20#樣件摩擦磨損圖Fig.10 1#/11#/20# sample friction and wear diagram

圖11 1#樣件摩擦磨損劃痕及局部放大圖Fig.11 1# sample friction and wear scratches and partial enlarged view

圖12 11#樣件摩擦磨損劃痕及局部放大圖Fig.12 11# sample friction and wear scratchesand partial enlarged view

圖13 20#樣件摩擦磨損劃痕及局部放大圖Fig.13 20# sample friction and wear scratchesand partial enlarged view

4 結(jié) 論

(1)高度最高和最低的樣件均出現(xiàn)在能量密度為333 J/mm3時(shí),17#(能量密度為333 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速4 rpm、氣流量4 L/min)樣件的高度最低,為4.2mm；20#(能量密度為333 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速6 rpm、氣流量6 L/min)樣件的高度最高,為22.7mm。這是因?yàn)楫?dāng)能量密度為為333 J/mm3時(shí),進(jìn)入熔池的粉末均能被熔化,因此高度隨著送粉量的增加而增加,而17#樣件因?yàn)檫M(jìn)入熔池的粉末不足導(dǎo)致重熔,因此樣件高度急劇降低。

(2)13#樣件的缺陷率最小,為0.07 %,此時(shí)能量密度291 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速4 rpm、氣流量4 L/min；10#樣件缺陷率最大,為5.19 %,此時(shí)能量密度283 J/mm3、粉盤轉(zhuǎn)速4 rpm、氣流量6 L/min。在熔池流動(dòng)性和壽命有限的情況下,對(duì)流作用較弱的情況下,氣孔缺陷的比例隨著能量密度升高而上升,當(dāng)能量密度升高到293 J/mm3時(shí),熔池對(duì)流作用大幅上升,氣泡的合并和逸出概率大幅上升,樣塊中僅存少了氣孔缺陷。

(3)當(dāng)能量密度從238 J/mm3到333 J/mm3,樣塊的顯微硬度呈先上升再下降的趨勢(shì),當(dāng)能量密度為291 J/mm3時(shí)樣塊的顯微硬度最大,為68.1 HRC；當(dāng)能量密度為333 J/mm3時(shí)樣塊的顯微硬度最小,為66.7 HRC。這是因?yàn)楫?dāng)能量密度升高時(shí),缺陷率降低,成型質(zhì)量升高,樣塊的顯微硬度增加；而當(dāng)能量密度過(guò)大時(shí),硬質(zhì)相熱損傷增大,反而降低了熔覆層的顯微硬度。

(4)對(duì)1#(238 J/mm3)、11#(283 J/mm3)和20#(333 J/mm3)樣件進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試,發(fā)現(xiàn)當(dāng)能量密度為283 J/mm3時(shí),樣件最具有最低的摩擦系數(shù)和磨損率,主要磨損機(jī)制為粘著磨損。