激光能量密度及路徑對熔覆層成形性的影響

楊新意，程延海

（1.中國礦業大學 徐海學院，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業大學 機電學院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

激光熔覆技術是指利用高能量的激光束在基體表面熔覆涂層以提高其表面性能的一種技術，具有熱影響區小、結合強度高及熔覆層表面質量高等優點，近年來得到了快速的發展。蘇州大學的王宇[1]通過光內送粉的激光熔覆方法，研究了弧面扭曲結構件激光熔覆成形的路徑規劃問題，得到了尺寸精度較高、表面質量較好的熔覆層；寧夏大學的雍耀維[2]通過激光熔覆技術在銅合金表面熔覆了一層添加了WC和ZrO2的鎳基合金粉末涂層，研究了熔覆層的微觀組織、物象組成、硬度及其耐磨性，發現熔覆層的性能遠高于基體；長安大學的樊帥奇[3]采用激光熔覆技術在45鋼表面制備了Ni60/WC涂層，通過改變粉末中WC的含量發現了WC的含量會影響熔覆層的硬度等性能。激光熔覆過程是一個熔覆粉末快速熔化和凝固的過程，激光按照預先設定的路徑快速移動，在激光照射期間，激光照射部分的粉末和表面基體快速熔化形成熔池，激光移動過后，熔池與外界環境快速發生熱傳遞，使得熔池快速凝固形成熔覆層，從這個熔覆層形成的過程中不難看出，在激光熔覆過程中熱輸入扮演著重要角色，熱輸入越多，熔池中心的溫度越高，冷卻需要的時間越長，進而影響熔覆層的金相組織生長過程，進一步影響熔覆層的性能。激光能量密度是指在激光熔覆過程中單位面積的熱輸入量，激光能量密度的大小會影響熔池的溫度以及冷卻速度，進而影響到熔覆層的微觀結構、表面質量和物理力學性能[4]。另外，不同的激光能量密度對應不同的溫度場分布，不同的溫度場分布對應的凝固過程也有差異，這最終也會影響到熔覆層的成形[5]。激光熔覆通常是一個單層多道或者多層多道的過程，熔覆過程中溫度場和應力場相互疊加，不同的熔覆路徑下其溫度場和應力場疊加的過程各不相同，合理地選擇熔覆路徑可以得到更好的熔覆層成形效果。然而，目前針對影響激光熔覆成形性因素的研究大都集中于熔覆材料的研究上，缺乏對激光能量密度方面的研究，針對熔覆路徑對熔覆成形性影響的研究更是少之又少，這對激光熔覆成形的研究發展是有很大局限性的。因此，本文系統地研究了激光能量密度及熔覆路徑對熔覆層成形性的影響，建立了激光能量密度、熔覆路徑、熔覆層成形性三者之間的關系鏈，獲得了特定材料下激光熔覆成形的最佳激光能量密度和熔覆路徑。

1 實驗過程與方法

1.1 激光熔覆實驗材料

如表1所示為Fe基合金粉末的化學成分。

表1 Fe-Cr-B合金粉末組成成分質量分數%

表2為Q345鋼的化學成分組成，應用線切割技術將Q345鋼切割為70 mm×60 mm×20 mm的試塊以備熔覆實驗使用。

表2 Q345鋼組成成分質量分數%

激光熔覆成形在實際應用中，往往是以單層多道或者多層多道進行熔覆，在這一過程中，第一層的成形性通常至關重要，第一層熔覆層的成形性如果不好，那么后續熔覆層的表面質量很難達到預期目標，因此本文在研究激光熔覆成形性時，采用單層多道熔覆，重點研究第一層熔覆層的成形性。圖1所示為激光熔覆設備，激光熔覆送粉采用同步送粉的方法，在基體的表面熔覆上一層面積為40 mm×20 mm的Fe-Cr-B合金熔覆層，激光功率為1.8 kW，搭接率為50%，送粉速度為1.8 r/min，光斑直徑為3 mm。

圖1 激光熔覆設備圖

圖2 熔覆路徑圖

1.2 表面宏觀裂紋測試

著色探傷是最常用的裂紋統計方法，在進行著色探傷之前要對待測試樣表面進行簡單的清潔處理，保證待測試樣表面沒有粉末、銹蝕、油漬等其它影響著色探傷的外界因素，隨后再用著色探傷劑進行裂紋探傷。著色探傷劑包括3種不同的試劑，首先，清洗劑負責清洗試樣表面，清洗后的試樣放在事先準備好的桌子上自然風干；然后，滲透劑負責對試樣表面的裂紋進行滲透，將滲透劑均勻地噴涂在風干后的試樣表面并靜置10 min左右，使其充分地滲透試樣的表面；然后，再用清洗劑清洗掉試樣表面的滲透劑，并用紙巾將試樣表面擦干；最后，將顯像劑均勻地噴涂在擦拭干凈后的表面，噴涂時注意噴口與試樣表面之間的距離為250 mm左右，靜置5 min左右后，顯像劑將會把殘留在裂紋中的滲透劑通過毛細作用吸出來，使裂紋清晰地顯示出來，此時便可以統計表面的裂紋缺陷信息。另外，為了確保測量的準確性，也可對試樣重復上述操作數次，確保實驗結果的準確性。

2 實驗結果與分析

2.1 熔覆層宏觀形貌分析

激光熔覆層宏觀形貌在工業生產中至關重要，熔覆層宏觀形貌越好，表面越平整，則需要的后續加工環節越少，生產效率越高，生產成本越低。相反，如果激光熔覆表面宏觀形貌比較差，表面存在大量缺陷，輕則造成生產效率低、生產成本高等弊端，嚴重時則有可能使得激光熔覆生產件直接報廢，這極大地制約了激光熔覆成形的發展。影響熔覆層宏觀形貌的因素有很多，激光熔覆工藝參數、外界環境、熔覆材料等因素都會影響熔覆層最終的宏觀形貌，其中激光熔覆溫度場和應力場的分布對熔覆層宏觀形貌影響巨大。激光熔覆的溫度場是一個溫度場反復疊加后的結果，因此，在熔覆過程中，激光熔覆工藝參數及熔覆路徑都會對激光熔覆溫度場的形成產生重要影響，激光能量密度概念的提出很好地將各工藝參數綜合在一起。圖3所示為熔覆層的宏觀形貌圖，試樣1、試樣2及試樣3采用的“弓”字形熔覆路徑，這種熔覆路徑由于其效率高、無需回程的優點而被工業生產中廣泛采用。試樣1的熔覆層厚度最大，并且有明顯的元素燒損現象，這是因為試樣1的掃描速度最慢、激光能量密度最大、熔池的溫度也最高導致的。試樣3的熔覆層厚度最小，且熔覆層表面明顯有大量未熔化的粉末，這是因為激光掃描速度較快、激光能量密度最小，導致粉末熔化不充分[6]。與試樣1和試樣3相比，試樣2的宏觀形貌是最好的，說明采用“路徑1”時該激光能量密度最為適宜。試樣4、試樣5及試樣6采用“回”字形熔覆路徑，其余工藝參數均與試樣1、試樣2及試樣3完全相同。由圖3可知，試樣4的熔覆層厚度最厚，試樣6的熔覆層厚度最薄，這是由于激光掃描速度不同造成的，激光掃描速度越快，熔覆層厚度越薄。與試樣1相比，試樣4沒有明顯的元素燒損現象，這說明“回”字形路徑對應的溫度場更合理，可以避免元素燒損現象的產生。另外，試樣4、試樣5及試樣6左下角明顯有一道凸起的斜線，這主要是由于激光熔覆過程中存在端部效應，而“回”字形熔覆路徑每一圈的起點和終點都在左下角，端部效應在此處累積，最終連成一條斜線。綜上所述，相同的激光能量密度下，與“路徑1”相比，采用“路徑2”熔覆生成的熔覆層溫度場分布更加合理，熔覆質量更高。

圖3 熔覆層宏觀形貌圖

2.2 激光熔覆表面探傷結果

裂紋問題一直是激光熔覆領域亟待解決的一個難題，裂紋的存在不僅會影響到產品的表面質量，而且會影響到產品的使用壽命。激光熔覆裂紋的產生主要是由于熔覆層中的應力水平高于材料的屈服強度，此時便容易在熔覆層表面產生裂紋，這些裂紋的存在會大大降低熔覆層的綜合性能[7]。圖4展示了著色探傷后試樣的表面形貌，白色的為顯像劑，6個試樣表面均無裂紋產生。這主要因為一方面實驗參數選擇合適，熱輸入恰當，使得熔覆過程中的溫度場分布均勻、溫度梯度小，眾所周知，應力場的分布很大程度上取決于溫度場的分布，均勻合理的溫度場分布導致熔覆層中的應力水平比較低，不容易引起裂紋；另外一方面，由于熔覆粉末中含有Si、Ni、Cr等元素，使得熔覆層材料的韌性、強度等性能大大提高，抵抗裂紋產生的能力增強，不容易出現裂紋。

圖4 著色探傷圖

3 結語

通過在Q345鋼基體表面熔覆一層Fe-Cr-B合金粉末熔覆層，本文研究了熔覆層表面的宏觀形貌和裂紋敏感性，通過改變激光能量密度和熔覆路徑建立了激光能量密度、熔覆層宏觀形貌、裂紋敏感性三者之間的聯系。結果表明，激光能量密度和激光熔覆路徑會影響熔覆層的成形性，在特定材料下，采用“回”字形熔覆路徑，激光能量密度為40 J/mm2時，熔覆層表面沒有裂紋，成形性最好。該研究對Fe-Cr-B合金粉末的激光熔覆成形具有重要意義。