激光熔覆原位合成WC單道成形控制方法

肖石洪，練國富，黃 旭，馮美艷

（福建工程學院 機械與汽車工程學院，福建 福州 350118）

激光熔覆[1-3]作為一種表面改性技術，利用高能激光束將涂覆材料熔化并在基體材料上形成較小的熔池[4-5]，具有較低的稀釋率和良好的結合性等特點[6]，可提高材料表面抗磨損、耐腐蝕等性能[7]。在大尺寸、高價值零部件再制造過程中單道成形質量是多道搭接的關鍵，因此對單道熔覆成形的精確控制及預測具有重要意義。

目前，諸多學者對單道熔覆成形質量進行了研究。在添加單一粉末方面，Li等[8]通過在傾斜的17CrNiMo6鋼基體上熔覆Ni60粉末，研究工藝參數和基體傾斜角度對熔覆層形貌的影響規律，建立了工藝參數和幾何形貌的理論模型。Zhao等[9]在45鋼基體上熔覆YCF104粉末，通過全因素試驗研究工藝參數對熔寬、熔深和熔覆層面積的影響關系，分析了各個因素對目標的相互作用。Bourahima等[10]在銅鎳鋁基體上熔覆Ni基粉末，為獲得具有較小的稀釋率、良好的結合性能且無氣孔、裂紋的熔覆層，采用方差分析法研究工藝參數對涂層幾何形貌的影響，并綜合熔覆層的幾何形貌和結合性能進行優化。Shayanfar等[11]在ASTM A592鋼基體上熔覆Inconel 625粉末，通過回歸建立涂層幾何形貌（寬度、高度、深度等）與工藝參數（功率、掃描速度等）之間的關系，采用經驗統計法優化和預測涂層幾何形貌，獲得最佳涂層形貌。

在添加復合粉末方面，Saeedi等[12]在AISI 420基體上熔覆NiCr-TiC粉末，研究工藝參數對熔覆層高度、寬度、稀釋率的影響規律，以較低的稀釋率和較優的形貌為目標，獲得最優的工藝參數。Riquelme等[13]在ZE41鎂基體上熔覆SiC-Si粉末，研究工藝參數對熔覆層幾何形貌的影響規律，確定了兩道搭接之間最佳的距離和最優形貌下的工藝參數。Khorram等[14]在Inconel 718合金基體上熔覆Cr3C2-80Ni20Cr粉末，采用響應面法研究工藝參數和熔覆層幾何形貌（寬度、高度、潤濕角）、稀釋率、硬度之間的關系，結果表明硬度與稀釋率成相反的關系，以熔高、稀釋率最小和以熔寬、硬度最大為目標確定了最優工藝參數。

由上可知，添加單一粉末和復合粉末方面，已有較多的學者研究分析了工藝參數對涂層幾何形貌的影響關系，以及確定最優工藝參數，但是原位合成且建立工藝參數和復合涂層幾何形貌的數學模型的研究較少，以及對復合涂層的幾何形貌進行預測和控制的研究有待深入。原位合成技術即在制備的粉末材料中加入能夠進行化學反應原位生成增強相，具有合成的硬質相分布較為均勻、熱力學穩定、金屬界面潔凈等優點[15-16]。單道熔覆是多道搭接的前提，較寬的熔覆層有利于多道熔覆的搭接，較低的熔覆層有利于熔覆層的多道成形，較大的熔覆層面積意味著粉末的利用率較大。因此本文選擇W-C-Ni粉末，采用響應面法，以熔寬、熔高、熔覆層橫截面積為目標，針對W-C-Ni通過原位合成法制備的復合涂層，研究工藝參數對熔覆層高度、寬度、面積的影響規律，為工藝參數和復合涂層幾何形貌的預測和控制提供重要依據。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

基材選擇45鋼，其規格為40 mm×20 mm×10 mm。熔覆粉末為W粉、C粉和Ni基合金粉末，粉末粒徑范圍為48～106μm，其化學成分如表1所示。

表1 W、C和Ni粉的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of W，C and Ni60A powder（mass fraction，%）

1.2 試驗設備及條件

圖1為激光熔覆系統，在TFLW-4000WDR-01-3385激光水冷卻機和PLC控制系統共同工作下，采用M-710iC/50DE工業機器人控制FDH0273激光熔覆頭的移動，通過IPG的YLS-3000激光器和SX14-012PULSE激光脈沖波形控制系統傳輸激光、使用GZDPSF-2載氣式送粉系統進行同軸送粉，熔覆過程中光斑直徑固定值φ3 mm，保護氣體為氬氣。

圖1 激光熔覆系統Fig.1 Laser cladding system

1.3 試驗過程及性能檢測

考慮到C對激光的吸收率較高，而吸收能量的增加會導致一定的碳損[17]，根據W和C的相對原子質量，配置W和C的比例為摩爾比1:1.05，W、C的總質量與Ni的質量比由30%依次增加到70%，共計5組，配好后將粉末置于球磨混粉機中混合，之后置于真空烘干機中烘干備用。熔覆試驗前將基體表面打磨出金屬光澤，使用丙酮將45鋼基材表面的油污擦洗干凈后干燥。

隨后進行熔覆試驗，熔覆后樣塊如圖2所示，熔覆后處理的工作包括：將熔覆好的樣塊進行線切割、鑲嵌、打磨、拋光后在4%的硝酸酒精溶液中浸蝕120 s，使用酒精淋浴并用吹風機吹干，使用KH-1300三維顯微系統測量熔覆層的形貌尺寸。

圖2 熔覆樣塊Fig.2 The Clad specimens

1.4 試驗方法

試驗方法采用響應面法，該方法可以有效地建立工藝參數和目標值的數學關系并進行預測[18-19]。熔覆參數變量表如表2所示，采用方差分析法對試驗結果進行顯著性分析，通過構建工藝參數與響應值的二階回歸模型，進而分析工藝參數與響應值之間的關系。

表2 激光熔覆工藝參數變量表Table 2 Variables of laser cladding processing parameters

熔覆層橫截面示意圖如圖3所示，二階回歸模型[20]見公式（1）。

圖3 熔覆層截面示意圖Fig.3 Schematic cross-section of clad layer

式中：β0為截距系數，βj、βij、βjj分別為模型的一次項、交互項及二次項回歸系數，xi、xj分別為輸入變量，k為參數變量，ε為殘差。

響應值為熔覆層寬度（Width）、高度（Height）和橫截面積（Area），中心復合設計試驗與結果如表3所示。

表3 中心復合設計試驗與結果Table 3 Central composition design and results

2 結果與分析

2.1 方差分析

本文針對W-C-Ni通過原位合成法制備的復合涂層，獲得工藝參數對熔覆層高度、寬度、橫截面積的成形控制方法，熔寬、熔高、橫截面積的方差分析如表4～表6所示。

表6 熔覆橫截面積方差分析表Table 6 Variance of analysis on cross-sectional area

由寬度方差分析表4可知，所選寬度模型的p值小于0.01%，且Lack of fit的P值大于0.05，說明模型的擬合精度較高，準確性可達99.99%，輸入的因素對熔覆層的寬度具有一定的影響，證明選擇的模型合理。Adeq precision遠大于4說明模型的精度和可識別性高，表4中硬度的有效信號與噪聲的比值為26.665，滿足此要求。所選模型的多元系數R2為0.9354，該值越接近1說明相關性越好。Adj R2和Pred R2值分別為0.9149、0.8505，兩者之間的差值小于0.2，可知該模型具有足夠高的精度預測誤差工藝參數，熔寬的模型如公式（2）所示。

表4 熔寬方差分析表Table 4 Variance of analysis on clad width

同理如表5、6可知，熔高、熔覆層橫截面積所選的模型精度高，具有足夠高的精度預測熔高、熔覆層橫截面積的誤差，可對熔高、橫截面積進行精確的預測。工藝參數與熔覆層高度和橫截面積的經驗模型如公式（3）、公式（4）所示。

表5 熔高方差分析表Table 5 Variance of analysis on clad height

2.2 殘差正態分析

圖4（a）為熔覆層寬度殘差正態概率分布圖，試驗數據殘差沿直線呈S形分布，滿足正態分布的假設，圖4（d）為熔覆層寬度預測值與實際值的關系圖，可知試驗組的數值沿直線分布在兩側，表明預測值與實際值的誤差較小，具有較高的預測精度，能有效揭示工藝參數對熔寬的影響關系。同理，由圖4（b，c，e，f）可知熔高和橫截面積符合上述依據。

圖4 熔覆層寬度、高度、橫截面積的殘差正態概率分布圖（a～c）和預測值與實際值的關系圖（d～f）Fig.4 Residual plots（a-c）and relationship between the predicted and actual values（d-f）of clad width，height and cross-sectional area

2.3 模型分析

2.3.1 熔寬分析

圖5是激光功率PL和粉末配比Rp二者交互對熔寬3D響應曲面圖及等高線圖，從圖5中看出，激光功率較小和粉末配比較大時，熔覆層的寬度較小，這是由于激光功率較小時，熔池獲得的能量較低，同時WC粉末配比較大，粉末中W和C的含量較高，W和C的熔化需較多的能量，由于較小的激光功率導致輸入的能量較低，此時使得熔覆層的寬度較小。隨著激光功率的增大和粉末配比的減小，熔覆層的寬度增大。隨著激光功率的增大，作用于熔池的能量增加，隨著WC粉末配比的減小，熔池中W和C粉末的比例減少，由于W和C熔化及合成需要較多的能量，在粉末量一定的情況下，W和C減少，熔池所需的能量較少，激光功率的增大提供了充足的能量，熔池的流動性增強，熔池的表面張力因較強的對流運動，其向兩側延伸，直至熔池變寬變淺從而達到新的平衡狀態，因此隨著激光功率的提升和粉末配比的降低，熔覆層寬度提升。

圖5 激光功率P L和粉末配比R p二者交互對熔寬3D響應曲面圖（a）及熔寬的等高線圖（b）Fig.5 3D response surface（a）and contour line（b）of interaction between laser power P L and powder ratio R p on melted width

圖6為掃描速度vs和粉末配比Rp二者交互對熔寬3D響應曲面圖及等高線圖，從圖6中看出，掃描速度較大和粉末配比較大時，熔覆層的寬度較小，掃描速度較大，單位時間輻照區域內接收的能量和粉末材料較少，但輸送粉末中W和C的含量較多，需要消耗更多的能量熔化進而合成WC，導致熔池中的能量不足，此時使得熔覆層的寬度較小。隨著掃描速度的減小和粉末配比的減小，熔覆層的寬度增大。隨著掃描速度的減小，在單位時間內激光光斑輻照區域接收的能量和粉末材料同時增加，粉末配比減小，當輸送粉末量一定時，單位時間內進入熔池中的W和C較少，所需的能量減少，增加的能量使得熔池流動性增強，并且送入的粉末在較多的能量下充分熔化，粉末得到充分的利用，因此在較低的掃描速度和粉末配比的共同作用下，熔覆層寬度增大。

圖6 粉末配比R p和掃描速度v s二者交互對熔寬3D響應曲面圖（a）及等高線圖（b）Fig.6 3D response surface（a）and contour line（b）of interaction betweenpowder ratio R p and scanning speed v s on melted width

圖7為所選各因素對熔寬的影響關系圖，由圖7可知，熔覆層寬度與激光功率呈正相關線性關系，與氣流量和粉末配比呈負相關線性關系，熔覆層寬度與掃描速度呈負相關二次關系。

圖7 各因素對熔寬的影響規律Fig.7 Effects of different parameters on melted width

2.3.2 熔高分析

圖8為激光功率PL和掃描速度vs二者交互對熔高3D響應曲面圖及等高線圖，從圖8中看出，激光功率較小和掃描速度較大時，熔覆層的高度較小，激光功率較小，作用于粉末的有效能量較少，掃描速度較大，單位時間輻照區域內接收的能量和粉末材料較少，較小的激光功率和較大的掃描速度無法使全部熔覆材料完全達到熔融的狀態，熔池的流動性減弱，熔覆材料部分熔化，導致熔覆層的高度較小。隨著激光功率的增大和掃描速度的減小，熔覆層的高度增大，由于激光功率增大，單位面積的能量密度隨之提高，掃描速度的減小熔池在單位時間內獲得更多的能量和粉末，使得激光熔化的粉末增多，根據質量守恒定律，熔化粉末的數量提高，使得熔覆層成形的金屬粉末增多，熔覆層高度增加。

圖8 激光功率P L和掃描速度v s二者交互對熔高3D響應曲面圖（a）及等高線圖（b）Fig.8 3D response surface（a）and contour line（b）of interaction between laser power P L and scanning speed v s on melted height

圖9為所選各因素對熔高的影響關系圖，由圖9可知，熔覆層高度與激光功率呈正相關線性關系，氣流量對熔覆層高度的影響不顯著，熔覆層高度與掃描速度和粉末配比呈負相關二次關系。

圖9 各因素對熔高的影響規律Fig.9 Effects of different parameters on melted height

2.3.3 熔覆層橫截面積分析

圖10為激光功率PL和掃描速度vs二者交互對熔覆面積3D響應曲面圖及等高線圖，從圖10中看出，隨著激光功率的增大和掃描速度的減小，熔覆層的橫截面積增大，這是由于激光功率增大，單位時間內激光束輻射的能量增加，掃描速度減小時，激光光束輻射時間長，單位面積內的能量增高，增加的能量有助于更多粉末的充分熔化，使得熔覆層的橫截面積增大。激光功率較大和掃描速度較小時，熔覆層的橫截面積較大，激光功率較大時激光束輻射的能量較多，較小的掃描速度提供了較多粉末并使得能量進一步增加，在激光密度充足的情況下，參與熔覆層成形的粉末數量較多，粉末利用率較大，熔覆層的橫截面積較大。

圖10 激光功率P L和掃描速度v s二者交互對橫截面積3D響應曲面圖（a）及等高線圖（b）Fig.10 3D response surface（a）and contour line（b）of interaction between laser power P L and scanning speed v s on cross-section area

圖11為粉末配比Rp和掃描速度vs二者交互對熔覆面積3D響應曲面圖及等高線圖，從圖11中看出，掃描速度較大和粉末配比較大時，熔覆層的橫截面積較小，掃描速度較大時，單位面積熔池的能量較小，獲得粉末量也較小，粉末配比大，粉末中W和C的含量占比較大，W和C熔化所需的能量較多，能量不足導致熔池中熔化粉末較少，熔覆層的橫截面積較小。隨著掃描速度的減小和粉末配比的增大，熔覆層的橫截面積增大，這是由于掃描速度減小時作用于熔池的能量增大，進入熔池的粉末增加，而粉末中較少的W和C消耗的能量減少，能量的增加，更多粉末熔化，熔覆層的橫截面積增加。

圖11 粉末配比R p和掃描速度v s二者交互對橫截面積3D響應曲面圖（a）及等高線圖（b）Fig.11 3D response surface（a）and contour line（b）of interaction between powder ratio R p and scanning speed v s on cross-section area

圖12為所選各因素對熔覆層橫截面積的影響關系圖，由圖12可知，熔覆層橫截面積與激光功率呈正相關線性關系，氣流量對熔覆層高度的影響不顯著，熔覆層橫截面積與掃描速度、粉末配比都呈負相關二次關系。

圖12 各因素對橫截面積的影響規律Fig.12 Effects of different parameters on cross-section area

3 工藝參數驗證及模型優化

由于各個評價指標對目標值的重要程度不同，以及各評價指標所反映出評價對象的信息量不同，因此需要根據各個目標的特性對其賦予權重系數，熵權法一種根據目標值的信息量的大小進行賦權的客觀賦權法，能夠很好地避免了人為主觀因素的干擾，權重系數公式可按照如下公式計算：

采用公式（5）將目標值數據標準化處理：

式中：Yij為標準化處理后的數據，Xij為第i次試驗下第j個目標值（i=1、2、3、……n，n為試驗次數30，j=1、2、3）。

計算標準化處理后的數據的P值：

計算n項指標信息熵值E：

如果Pij=0，則定義

通過信息熵值計算各指標的權重系數，其中k為目標值的個數，此處k=3。

將目標值轉化為信噪比值可用于評價試驗結果的質量特性，并評估每個工藝參數對質量特性的影響[21]，利用去噪后的結果代替響應目標進行數據分析，可獲得更加精確的試驗結果和優化工藝參數組合[22]。根據其質量特性，有3種信噪比可以用，分別是越大越好特性，即望大如公式（9）、越小越好，即望小如公式（10）、越接近目標越好即，望目[23]如公式（11），其公式如下：

將熔寬、熔覆層橫截面積根據望大公式（9），熔高根據望小公式（10）將目標值轉化為信噪比值，根據信噪比的越大越好的特性，采用公式（5）進行標準化處理，依次計算P值、信息熵值，獲得權重系數，如表7所示。

表7 熔寬、熔高、橫截面積信息熵值和權重系數Table 7 Information entropy value and weighting coefficient of melted width，melted height and cross-sectional area

為了檢驗激光熔覆原位合成寬度、高度、熔覆層橫截面積所建立模型的準確性和合理性。根據多道搭接的需要，以熔覆層的寬度和面積越大越好、熔覆層高度越小越好為目標，表8給出了目標下的工藝參數優化。

表8 優化條件及目標Table 8 Conditions and goals of optimization

表9為優化結果及驗證結果，從表9中可知，期望值最大的一組為：激光功率1899.98 W、掃描速度6.24 mm·s-1、氣流量12.75 L·min-1、粉末配比30%，根據設備可輸入的工藝參數，選擇激光功率1900 W、掃描速度6 mm/s、氣流量12.75 L·min-1、粉末配比30%進行試驗。所得熔覆層形貌如圖13所示，由表9中數據計算可知，熔覆層寬度、高度、橫截面積的預測值與實際值誤差率分別為9.439%、5.153%、4.835%，平均誤差率在6.5%范圍內，由此可知，所建立的模型預測精度較高，對原位合成熔覆層寬度、高度、橫截面積的預測及控制具有重要的意義。

表9 預測優化結果與試驗驗證結果比較Table 9 Result comparison between predicted optimization and experimental validation

圖13 驗證組截面形貌圖Fig.13 Morphology of the cross-section in the verification group

4 結論

本文基于響應面試驗設計建立了工藝參數（激光功率、掃描速度、氣流量、粉末配比）與熔覆層寬度、高度、橫截面積的數學模型，通過優化參數下的試驗結果驗證了模型的可靠性，為工藝參數優化和WC原位合成熔覆層成形質量的預測和控制提供參考依據，主要結論如下：

1）使用中心復合設計方法可有效的建立參數與響應之間的數學模型，且模型的擬合精度高，預測性強。

2）熔覆層的寬度與激光功率、掃描速度、氣流量、粉末配比均相關，熔覆層寬度隨著激光功率的增大而增大，隨著掃描速度、氣流量和粉末配比的增大而減小。

3）熔覆層的高度主要與激光功率、掃描速度、粉末配比相關，熔覆層的高度隨著激光功率的增大而增大、隨著掃描速度和粉末配比的增大而減小。

4）熔覆層的橫截面積主要與激光功率、掃描速度、粉末配比相關，熔覆層的橫截面積隨著激光功率的增大而增大，隨著掃描速度和粉末配比的增大而減小。

5）以熔覆層寬度、橫截面積最大，高度最小為目標，進行多目標綜合優化，得到最優工藝參數，通過預測值與實際值對比，得到熔覆層寬度、高度和橫截面積誤差率分別為9.439%、5.153%、4.835%，證明所建模型對指導WC激光熔覆原位合成成形預測與控制具有研究意義。