In625 鎳基合金激光熔覆工藝研究

蓋 欣，陳浩瀚，丁 濤，陳恬曦，朱勇輝

（中國核動力研究設計院，四川 成都）

引言

某核電機組處于強潮汐河口，其海水循環泵葉輪的服役環境為含有大量細沙和腐蝕性介質的固液兩相流。受海水長期沖刷作用，葉輪表面出現魚鱗狀、溝犁狀缺陷，嚴重時甚至出現貫穿失效[1]，影響了循環泵的服役壽命，制約了核電機組運行的安全性與可靠性。

針對受損葉輪的傳統修復方式為熱噴涂法及電弧堆焊法，其中，熱噴涂法所制備的修復層中孔洞缺陷較多，且難以與基體形成冶金結合，仍會面臨修復層剝落的問題；電弧堆焊法較高的熱輸入量導致修復后的基體稀釋量較高且熱影響區較大導致性能降低、殘余應力較高引起基體變形。激光熔覆技術因具有熱輸入量低、對基體變形量小、熱影響區小、加工余量小等優點而逐漸應用于航空、石油、化工、能源等工程領域[2]。

國內外學者研究了激光功率、掃描速度、送粉速率等關鍵工藝參數對鎳基合金的成形質量微觀組織的影響規律[3]，如采用不匹配的工藝參數，將在熔覆層內引入裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，制約了熔覆層綜合性能。In625 鎳基合金因含有較高的Cr、Mo 含量，作為耐磨損、耐腐蝕涂層廣泛應用于高溫環境及海洋環境[4]，因此，將其作為核電機組海水循環泵葉輪的修復材料有望提升受損葉輪的耐腐蝕性能，延長葉輪的服役壽命。

綜上所述，本研究以某核電機組海水循環泵葉輪用1.4468 雙相不銹鋼為基體，以In625 合金為修復材料，開展激光熔覆工藝試驗，探索成形質量良好的激光熔覆工藝參數，總結關鍵工藝參數對熔覆層熔高、熔深、熔寬及稀釋率的影響規律，為后續開展熔覆層性能評價奠定基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 設備

采用中科煜宸激光熔覆集成系統開展激光熔覆試驗，該系統集成了Laserline 激光器（功率≤4 000 W，聚焦光斑為3 mm）、六軸KUKA 機器人、同軸四路送粉熔覆頭、四路送粉器、保護氣系統、雙軸變位機、機器人控制柜、輔機（穩壓電源、水冷機、空調等）。

1.2 材料

選擇海水循環泵葉輪材料鑄態1.4468 雙相不銹鋼作為基體材料，其化學成分見表1，基體材料尺寸為300×300×30 mm，熔覆材料為In625 合金粉末，粉末粒度為53～150 μm，成分見表2。

表1 1.4468 雙相不銹鋼基體化學成分（wt.%）

表2 In625 合金粉末化學成分（wt.%）

1.3 工藝試驗

1.3.1 單道熔覆工藝

激光熔覆前，將In625 合金粉末置于真空干燥箱中以120 ℃恒溫干燥2 h。將基板表面進行磨光、清洗、干燥處理。選用高純氬氣（≥99.99%）作為送粉氣和保護氣，送粉氣流量為7.5 L/min，保護氣流量為25 L/min。本研究中掃描速率為定值，選用600 mm/min，控制送粉速率和激光功率兩個關鍵變量，其中，送粉速率參數范圍為0.5～1.0 r/min，送粉速率1 r/min 的送粉量為7.11 g。激光功率參數范圍為1 200～2 000 W，工藝試驗參數見表3。

表3 單道熔覆工藝試驗參數

表征單道熔覆層成形質量的參數主要有熔高h1、熔深h2、熔寬W 以及稀釋率η。具體定義見圖1，稀釋率是指在激光熔覆過程中由于基材熔化而引起熔覆層合金成分的變化，其計算公式為：

圖1 激光熔覆區域

1.3.2 多道熔覆工藝

依據前期探索經驗，選用33.33%作為多道激光熔覆的搭接率。從單道激光熔覆試驗中選擇5 個工藝參數，繼續研究多道搭接情況下熔覆層的成形質量，具體工藝參數見表4。

表4 多道熔覆工藝試驗參數

1.4 微觀組織表征

采用線切割技術加工熔覆后的試樣，鑲嵌后分別采用120#、320#、800#、2 000#砂紙依次打磨，再拋光呈鏡面后依次采用無水乙醇、清水將樣品清洗干凈。采用10%草酸溶液電解腐蝕試樣，干燥后，采用金相光學顯微鏡觀察樣品的微觀組織，并測量熔高、熔深與熔寬。

2 實驗結果與分析

2.1 單道熔覆層宏觀形貌

單道熔覆層的宏觀形貌及截面形貌見圖2，宏觀形貌無顯著差異，結合截面形貌，單道熔覆層成形質量良好，無明顯氣孔、微裂紋、未熔合等缺陷，熔覆層與基體邊界清晰。工藝參數為3#、5#、6#、7#、10#、11#的單道激光功率較高，熔化In625 粉末及基體形成熔池時產生了較高的熱輸入，基體熔化更多，導致熔覆層與基體的邊界呈“碗狀”結構；工藝參數為1#、2#、4#、8#、9#的單道，由于激光功率較低，激光能量主要作用于In625 粉末，極少作用于基體，因此熔覆層與基體的邊界呈“齊平狀”結構。

圖2 單道熔覆層表面宏觀形貌與截面形貌

2.2 單道熔覆層的熔高、熔深、熔寬及稀釋率分析

將圖2 中的單道截面在金相顯微鏡下進行熔高、熔深及熔寬測量，并根據公式計算單道熔覆層稀釋率，結果見表5。

表5 不同工藝參數下熔高、熔深、熔寬及稀釋率

依據表5 中的數據，分別作出激光功率、送粉速率對單道熔覆層的熔高、熔深、熔寬、稀釋率的影響趨勢圖，見圖3- 圖4。圖3(a)為不同送粉速率下，激光功率對熔高的影響，總體而言，送粉速率為0.5 r/min 及0.75 r/min 時，熔高隨激光功率增大呈增高趨勢，送粉速率為1.0 r/min 時，熔高曲線出現波動，說明當送粉速率增大到一定程度后，影響熔高的主要因素不再僅是激光功率。此外，單道熔覆層的熔深、熔寬、稀釋率均隨激光功率增加而呈增大趨勢，主要原因在于固定掃描速率情況下，激光功率越大，單位面積提供的能量越多，熔池對流作用增強，熔池體積更大，熔寬增大。此外，粉末充分熔化的同時，激光能量也作用于基體，使得熔深增加，稀釋率增加。

圖3 激光功率對單道熔覆成形質量的影響：（a） 熔高；（b） 熔深；（c） 熔寬；（d） 稀釋率

圖4 送粉速率對單道熔覆成形質量的影響：（a） 熔高；（b） 熔深；（c） 熔寬；（d） 稀釋率

如圖4 所示，隨著送粉速率增加，單道熔覆層熔高逐漸增大，熔深及稀釋率逐漸降低，熔寬整體呈下降趨勢但略有波動。分析原因主要是由于隨著送粉速率逐漸增加，單位面積內的粉末量逐漸增多，熔池內粉末量增多，在掃描速度一定的情況下，較快的熔池凝固速度使熔覆層未來得及在基體表面鋪展開，因此熔高增加；相比于1 800 W 激光功率，1 400 W 激光功率不足以將增多的粉末完全熔化，導致熔覆寬度減??；此外，由于粉末量增多，激光功率多作用于熔化粉末，作用于基體能量減少，因此熔深與稀釋率減小。

值得注意的是稀釋率會直接影響熔覆層的成形質量，如果稀釋率η 太小，則熔覆層與基體之間的冶金結合強度較低，導致熔覆層容易脫落；但如果稀釋率η 太大，將導致熔覆層成分被基體大量稀釋，影響熔覆層的性能。因此，選擇合適的稀釋率η 尤為重要[5]。本研究選擇稀釋率在30%～60%的工藝參數，繼續開展多道熔覆工藝試驗。

2.3 多道激光熔覆層宏觀形貌及厚度、熔深分析

以表4 中激光熔覆工藝參數開展多道熔覆工藝試驗，固定掃描速率600 mm/min 與搭接率33%，以激光功率和送粉速率為變量。多道熔覆層宏觀形貌見圖5，表面成形質量無明顯差異。切取截面后采用金相顯微鏡觀察截面形貌，并測量熔覆層厚度及熔深。如圖5所示，各工藝參數下，熔覆層內均無缺陷，基體與熔覆層界面清晰。14#、15#與16#工藝參數下，熔覆層與基體界面呈波紋狀，熔深更大，熔覆層內熔入的基體更多；12#與13#工藝參數下，熔覆層與基體界面近似水平，熔覆層平直度更優異，考慮相同送粉速率（0.5 r/min）下的熔覆層厚度，13#工藝參數熔覆層厚度更大，熔覆效率更高，作為本研究的優選工藝參數。

圖5 多道熔覆層形貌及熔覆層厚度、熔深

2.4 多道熔覆層微觀組織分析

將13#工藝參數下的熔覆層開展微觀組織分析，見圖6，熔覆層的微觀組織主要為枝晶。在熔覆層底部，由于基體材料的激冷作用，熔池熱量沿垂直于基體表面方向向下散失，最大溫度梯度方向與熱量散失方向相反，因此熔覆層內枝晶的生長方向近似垂直于基體表面；在熔覆層中部，枝晶尺寸明顯增大；在熔覆層頂部，熔池表面散熱為多方向，粉末冷卻速度快，在成分過冷作用下，促進等軸晶和細小樹枝晶形成。

圖6 熔覆層截面金相組織：（a） 整體；（b） 底部；（c） 中部；（d） 頂部

3 結論

本研究以鑄態1.4468 雙相不銹鋼為基體，對不同工藝參數下的激光熔覆In625 鎳基合金熔覆層的成形質量及微觀組織進行了表征，得到結論如下：

（1） 保持送粉速率不變，隨著激光功率增加，單道熔覆層熔寬、熔深及稀釋率均增加；保持激光功率增加，隨送粉速率增加，單道熔覆層熔高增加，熔深、熔寬及稀釋率下降。

（2） 在搭接率為33%下，綜合考慮表面成形質量與熔覆層厚度，多道激光熔覆層優選參數為：激光功率1 400 W，掃描速率600 mm/min，送粉速率0.5 r/min。

（3） In625 合金熔覆層微觀組織主要由枝晶構成，且由于受熱及冷卻過程不同，熔覆層底部、中部、頂部微觀組織存在差異。