低溫相變合金涂層激光熔覆工藝研究

楊超鋒，吳世品，2，王權，2，王雪嬌，馬強

1.天津職業技術師范大學機械學院 天津 300222

2.汽車模具智能制造技術國家地方聯合工程實驗室 天津 300222

3.天津金橋焊材集團有限公司 天津 300399

1 序言

激光熔覆技術（Laser Cladding）是以高能激光為熱源、使熔覆材料在基體表面熔化并形成致密合金涂層的技術。該技術熔覆材料范圍廣，使用無污染[1]；熔覆過程加熱和冷卻速度快，工序時間短[2]；熔覆涂層稀釋率低，可形成良好的微觀結構[3]。在激光熔覆過程中，工藝參數是影響熔覆層質量的關鍵因素，不合理的工藝參數會使熔覆層出現裂紋、氣孔等缺陷。黃鳳曉等[4]研究了激光掃描速度、送粉速率對熔覆層幾何參數（寬度、高度）的影響。研究表明，隨著掃描速率的增大，熔覆層的寬度、高度均減小；隨著送粉速率的增大，熔覆層高度會增大。除此之外，合金粉材料也是影響熔覆層質量的重要因素。熔覆合金材料一般包括鐵基、鈷基和鎳基等合金粉。大部分的合金粉在凝固過程中會產生拉應力[5]，殘余拉應力的存在極易導致激光熔覆層出現裂紋、應力腐蝕或疲勞破壞[6]。低相變點（Low Transformation Temperature，簡稱LTT）合金是一種新型合金，在連續冷卻過程中，利用低溫區間發生馬氏體相變產生的體積膨脹，抵消熱收縮形成的殘余拉伸應力，從而產生殘余壓應力，防止開裂，提高抗應力腐蝕性能和疲勞壽命。孫允森等[7]通過調整LTT合金中的Cr、Ni 含量發現，當馬氏體開始轉變溫度（Ms）在300～330℃時，LTT合金熔覆層可獲得較大的殘余壓應力。徐淑文等[8]對比兩種不同成分的LTT合金粉的激光熔覆層性能，研究結果表明，兩種LTT合金熔覆層的硬度和耐磨性均比基體提高2～3倍，LTT1和LTT2最高硬度分別為448HV和421HV。

目前，LTT材料在激光熔覆方面的應用相對較少，關于LTT合金熔覆層制備工藝的研究并不深入。因此，本文系統研究激光熔覆工藝參數對LTT合金涂層成形質量、組織和硬度的影響，通過改變激光功率、送粉速率和掃描速度等工藝參數，分析不同工藝參數組合對成形質量、稀釋率的影響；同時，研究激光熔覆LTT合金涂層的微觀組織特征和硬度，為LTT合金涂層制備和實際應用提供理論依據和指導。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗基材選用100mm×100mm×100mm的Q355B鋼，基材經研磨機和砂紙打磨后，采用無水乙醇清洗，以保證基材表面清潔。激光熔覆采用自主設計配制的LTT合金粉作為熔覆合金粉，粉末粒度為≥150目（≤106μm），LTT合金熔覆層的化學成分見表1。

表1 LTT合金熔覆層化學成分（質量分數） （%）

2.2 激光熔覆試驗

先利用球磨機將LTT合金粉混合均勻，再通過真空干燥箱加熱烘干去除合金粉中的水分，烘干溫度為110℃，烘干時間為40min。采用德國IPG光纖激光器和工業機器人手臂等儀器進行激光熔覆試驗，連續熔覆10道，激光斑點2mm，離焦量18mm，搭接率為60%。根據LTT合金粉的特性和激光熔覆工藝特點，工藝參數范圍選取激光功率1000～1400W，掃描速度8～16mm/s，送粉速率0.4～0.8r/min。試驗通過改變激光功率、送粉速率和掃描速度制備不同的熔覆層，分析3個工藝參數變量因素與成形質量和稀釋率之間的關系，以尋求最佳激光熔覆工藝參數，具體工藝參數見表2。

表2 LTT多道激光熔覆層的工藝參數

2.3 顯微組織和硬度試驗

沿垂直于激光熔覆方向線切割熔覆層，并將剖切面冷鑲嵌，然后采用240～2000目砂紙依次打磨截面，用磨拋機進行拋光，選用4%硝酸酒精溶液腐蝕基體，選用10gFeCl3+30mLHCl+120mLH2O溶液腐蝕熔覆層，腐蝕時間為30～90s，然后采用AMP-2S蔡司高級金相顯微鏡觀察熔覆層的顯微組織。硬度試驗采用顯微維氏硬度計分別檢測熔覆層、熱影響區和基體母材的硬度分布，載荷0.2kg（1.96N），保壓時間15s。

3 結果分析與討論

3.1 熔覆層表面宏觀形貌

圖1所示為不同工藝參數下LTT合金熔覆涂層的表面宏觀形貌和白光干涉圖。當激光功率為1000～1400W、掃描速度為8～16mm/s、送粉速率為0.4～0.8r/min時，熔覆后的熔覆涂層紋路均勻，表面光澤、平整，也未見微裂紋、氣孔等缺陷。采用白光干涉儀觀察涂層表面，其中不同工藝參數試樣的表面粗糙度為18.1～35.8μm，高度差為0.02～0.09mm，如圖2所示。當激光工藝參數匹配不合理時，熔覆層表面成形質量較差，其中試樣6（激光功率為1200W、掃描速度為8mm/s、送粉速率為0.6r/min）的掃描速度較慢，熔覆涂層表面紋路粗糙且不均勻，少部分區域有凹陷（見圖1f）；同時，試樣6的表面粗糙度值最高（見圖2），表面成形較差。

圖1 不同工藝參數下熔覆涂層表面外觀形貌和白光干涉圖

圖2 不同工藝參數下表面粗糙度和高度差值

3.2 涂層界面結合質量

激光工藝參數的變化會引起激光能量密度的改變，從而影響熔覆涂層的成形質量。圖3所示為不同工藝參數下LTT合金熔覆涂層界面形貌。從圖3可看出，所有LTT合金涂層與基體結合的界面均呈現明顯的波浪特征，厚度差最大值為 0.9mm，熔覆層與基體之間發生了互熔，且未見微裂紋、氣孔等缺陷。其中，激光功率為1200W、掃描速度為12mm/s、送粉速率為0.8r/min時，即試樣3的熔覆涂層界面出現微量小孔。

圖3 不同工藝參數下LTT合金熔覆涂層界面形貌

根據激光能量密度公式（1）[9]，當激光功率和掃描速度不變時，激光能量密度不增加，而送粉量增大時，會導致激光能量不足，從而引起熔覆層與基體之間出現未熔合缺陷。

式中Pb——激光能量密度（Wh/m2）；

D——光斑直徑（mm）；

v——掃描速度（mm/s）；

P——激光功率（W）。

3.3 工藝參數對熔覆層幾何尺寸的影響

稀釋率和成形系數是評價熔覆層成形質量的重要指數，稀釋率過大時，易引起熔覆層開裂，稀釋率過小時，基體與熔覆層結合不牢靠，稀釋率低且成形系數大的熔覆層，其熔覆層成形質量越好，稀釋率η和成形系數n的計算公式[10]分別為

式中W——熔覆層寬度（mm）；

H——熔覆層高度（mm）；

h——母材熔化深度（mm）。

圖4所示為激光熔覆層的橫截面幾何尺寸。由于激光工藝參數與涂層質量的密切相關，因此通過Image J測量不同工藝參數的激光熔覆層橫截面幾何尺寸，并計算了成形系數和稀釋率，結果見表3。

圖4 涂層的界面幾何尺寸

表3 LTT多道激光熔覆層的橫截面幾何尺寸

根據表3激光熔覆工藝參數對熔覆層幾何尺寸的影響可知，隨著送粉速率從0.4r/min增大到0.8r/min（試樣1～試樣3），LTT熔覆層的寬度略有增加，高度和成形系數逐漸增大，稀釋率隨之降低，稀釋率最小為11%。送粉速率增大會導致送粉量增加，在相同激光熱量下熔覆的金屬增加，熔覆層高度和成形系數增大。其中，試樣3送粉速度過大，導致涂層界面出現小孔及未熔合現象。隨著激光功率從1000W增至1400W（試樣4、試樣2和試樣5），熔覆層高度變化不明顯，寬度和稀釋率逐漸增大，成形系數降低。當激光功率逐漸增大時，熔覆時所釋放的熱量增加，在短時間內可熔覆更多的基體和熔覆材料，熔深逐漸增大，熔覆層的寬度增大。其中，試樣4的激光功率過低，熔深淺，成形系數過大（92.8）。隨著掃描速度從8mm/s增大到16mm/s（試樣6、試樣2、試樣7），熔覆層寬度、高度降低，稀釋率升高，成形系數呈先增大再降低的趨勢。掃描速率的增大，熱輸入量降低，熔池金屬來不及充分熔化和流動，因此熔覆層的高度和寬度隨之降低，稀釋率升高。其中，試樣6由于掃描速度較慢，因此表面產生了凹陷。

3.4 熔覆層顯微組織分析

由于試樣3、試樣4、試樣6存在缺陷，所以選取試樣1、試樣2、試樣5、試樣7的熔覆層進行顯微組織分析，如圖5所示。

在不同工藝參數下，LTT合金熔覆層的顯微組織均由馬氏體（M）和奧氏體（A）組成，其中以馬氏體組織為主，馬氏體組織呈柱狀晶和胞狀晶分布；由于LTT熔覆層是激光熔覆多道形成，在道間一定區域會存在對下一道熔覆層的影響，從而形成再熱處理作用，使熔覆層道間形成胞狀馬氏體組織。在馬氏體柱狀晶之間分布著長條狀的奧氏體，而在胞狀馬氏體區域，奧氏體呈網狀分布。對比圖5b與圖5c可知，隨著激光功率從1200W增加到1400W，激光能量增加，熔池高溫停留時間長，馬氏體組織長大粗化，殘留奧氏體含量增加。對比圖5c與5d可知，當掃描速度從12mm/s增加到16mm/s時，熱輸入降低，在冷卻過程中原始奧氏體來不及長大即轉變為馬氏體組織，因此掃描速度增加后，熔覆層中的晶粒出現細化現象。馬氏體相變的溫度與材料的化學成分密切相關[11，12]，熔覆層中含有大量的Cr、Ni合金元素，導致Ms降低，在激光熔覆過程中當熔覆層金屬冷卻至Ms點溫度，奧氏體開始轉變為馬氏體；從Ms點溫度至室溫，奧氏體不斷轉變為馬氏體，因此在LTT合金熔覆層顯微組織中可見大量的馬氏體組織，同時有少量未完全轉變的殘留奧氏體。

圖5 不同激光工藝參數下熔覆層的顯微組織形貌

在不同激光工藝參數下，LTT合金熔覆層界面結合處熱影響區（HAZ）的組織基本相同，圖6所示為基體母材和典型工藝參數下LTT熔覆層界面結合處熱影響區的顯微組織。基體母材的組織為珠光體（P）和鐵素體（F），如圖6a所示；熔覆層界面結合處熱影響區分為粗晶區、細晶區和過渡區，如圖6b所示；熱影響區粗晶區由于激光熔覆過程中溫度高，發生相變重結晶，因此冷卻至室溫時形成粗大的貝氏體組織，且在粗大晶粒的晶界處可見鏈狀碳化物分布，如圖6c所示；細晶區受激光熔覆熱循環的影響，母材原有的組織發生相變重結晶，轉變為細小的鐵素體+少量彌撒的碳化物，如圖6d所示。

圖6 基體和熱影響區組織形貌

3.5 熔覆層顯微硬度

根據LTT合金熔覆層橫截面的宏觀形貌，將試樣橫截面分為熔覆層區、熱影響區和基體區，選取距熔覆表面距離為0.2mm的位置，每隔0.2mm深度檢測相應的顯微硬度值，結果如圖7所示。

圖7 工藝參數對熔覆層顯微硬度的影響

通過對比不同激光工藝參數下LTT熔覆層的硬度發現，熔覆層的硬度最高，硬度平均值均在373HV0.2以上，最大值可達408HV0.2；熱影響區粗晶區的硬度次之，計算的硬度平均值為214～368HV0.2，從熱影響區粗晶區到基體母材，硬度逐漸下降，基體母材的硬度平均值約為175HV0.2。結合上述顯微組織分析結果，LTT合金熔覆層組織主要以馬氏體為主，馬氏體組織使其具有較高的強度和硬度；熱影響區粗晶區組織主要為粗大的貝氏體組織，硬度次之；而基體母材的組織主要為珠光體+鐵素體，因此硬度最低。對比不同送粉速率（見圖7a）、不同激光功率（見圖7b）和不同掃描速度（見圖7c）的LTT合金熔覆層的硬度，熔覆層的硬度差別不大，均比基體母材的硬度提高1.2倍以上。其中，激光功率為1200W、送粉速率為0.6r/min、掃描速度為12mm/s的熔覆層硬度為408HV0.2，比基體硬度提高2.3倍。

4 結束語

1）當激光功率為1200W、送粉速率為0.6r/min、掃描速度為12mm/s時，LTT合金熔覆層表面成形良好，無裂紋、氣孔等缺陷，涂層與基體界面熔合良好。

2）LTT合金熔覆層金屬的組織由馬氏體和少量殘留奧氏體組成，馬氏體組織呈柱狀晶和胞狀晶分布，殘留奧氏體呈長條狀或網狀分布在馬氏體之間。

3）LTT合金熔覆層的硬度最高，熱影響區粗晶區次之，基體的硬度最低。其中，LTT合金熔覆層的硬度均比基體硬度提高1.2倍以上，在不同工藝參數下，LTT合金熔覆層的硬度無顯著差別。