Fe901合金粉末激光熔覆層組織分布與缺陷產生機理分析*

閆曉玲 董世運 徐濱士 閆世興 王望龍

(①北京工商大學材料與機械工程學院，北京 102488;②裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達到表面改性或修復的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節約了大量的貴重元素。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點，因此激光熔覆技術應用前景［1－4］十分廣闊。從當前激光熔覆的應用情況來看，其主要應用于兩個方面:一是對材料的表面改性，如燃汽輪機葉片，軋輥，齒輪等;二是對產品的表面修復，如轉子，模具等。有關資料表明，修復后的部件強度可達到原強度的90%以上，其修復費用不到重置價格的1/5，更重要的是縮短了維修時間，解決了大型企業重大成套設備連續可靠運行所必須解決的轉動部件快速搶修難題。實踐表明，影響激光熔覆再制造［5］零件服役性能和服役壽命的關鍵因素是激光熔覆層的殘余應力和缺陷(氣孔、裂紋、夾雜等)。關于激光快速成形過程中殘余應力的研究國內外已開始有報道［6］，但對Fe901鐵基自熔合金激光熔層內部缺陷產生的機理研究較少。故本文從Fe901激光熔覆層組織分布特征入手，探討激光熔覆層內部缺陷產生的機理，從而為激光熔覆技術工藝優化、激光熔覆層質量評價提供指導。

1 試驗方法

實驗采用45#鋼為基體材料，試樣尺寸為100mm×10mm×80mm，激光熔覆材料選用Fe901鐵基自熔合金粉末，粉末粒度為－140～325目，成分如表1所示。實驗前，對粉末進行真空干燥處理，去除粉末表面吸附的水分。

實驗采用連續波Nd:YAG激光器、同步送粉方法，通過單道搭接多層堆積制備激光熔覆試樣。激光束波長為1.06μm，光斑直徑為2mm，激光熔覆工藝參數為功率1 kW，掃描速度5～10mm/s，送粉量3.0 g/min，Z軸抬升量0.25mm，搭接率40%，激光熔池保護氣體采用氬氣。

分別采用800目，1200 目，2000 目砂紙打磨試樣，在拋光機上拋光之后，采用丙酮清洗，在空氣中烘干，再用王水(HNO3和HCL按1:3比例混合物)腐蝕激光熔覆層組織，采用光學顯微鏡(OM)分析試樣的顯微組織。

表1 Fe901合金粉末成分

2 試驗結果及分析

2.1 激光熔覆層顯微組織分析

圖1為單道搭接多層堆積激光熔覆層與基體結合的金相組織，從圖1可以看出:熔覆層與基體之間形成了一層薄薄的平面晶組織。其原因在于在基體上開始堆積時熔覆層材料受到強烈冷卻，與基體之間存在很大的正溫度梯度，同時基體表面是非均勻形核的有利位置，因而在基體表面上產生大量晶核，這些晶核迅速長大至相互接觸便形成平面晶組織。這層平面晶體組織的形成使得基體和熔覆層之間形成了良好的冶金結合。圖2為單層激光熔覆層內的金相組織。從圖2可以看出，層內組織為柱狀晶和樹枝晶混合而成，這是由于Fe901合金凝固過程中不同成分的元素(表1所示)凝固點不同，高熔點的溶質元素先凝固，這樣液固相界面前沿存在著熔點較低的溶質元素的偏聚，導致界面前沿液體熔點的改變。合金液體的熔點隨著溶質濃度的改變而改變，這樣界面前沿過冷的產生將不僅取決于界面前沿液體中實際溫度的分布，還與溶質濃度的分布有關(成分過冷)，隨著距固液界面距離的增加，成分過冷增大，從而形成柱狀晶和樹枝晶組織。圖2中柱狀晶和樹枝晶的生長方向大致與基體結合面垂直，其原因在于底部平面晶組織形成的同時，釋放出結晶潛熱使液體的過冷程度減小形核率迅速降低，只有細晶區已形成的晶體向液體中長大。由于垂直于基體結合面的方向散熱最快，而且細晶區中各晶粒的結晶位向不同，所有只有那些與散熱方向平行的晶粒能夠繼續向液體深處生長，從而形成大致與基體結合面垂直的柱狀晶和樹枝晶混合區。圖3為相鄰熔覆層之間的結合區域。從圖3可以看出，在單道搭接多層堆積過程中，高能激光束作為移動熱源，加工過程中，熔池周圍的材料被快速加熱，因此前道熔覆層有一部分熔化、一部分退火，即存在二次熔化，二次熱影響現象，進而發生組織的粗化。圖4為多層堆積熔覆層的頂部顯微組織。從圖4可以看出，頂部組織與層內和底部組織不同，出現了細小的等軸晶。其原因在于多層堆積過程中，已成形的熔覆層較基體具有較高的溫度，并且結晶過程中隨著結晶潛熱的不斷釋放，凝固時的溫度梯度G減小，在熔池頂部，通過與空氣對流、輻射等方式冷卻［7］，結晶速度R逐漸增大，因此G/R減小，固液界面前沿的液體中的成分過冷增大。當成分過冷增大到一定程度的時候，在固液界面前沿的液體中生成許多新的晶核，并沿著各方向長大，這樣阻礙了柱狀晶和樹枝晶的生長并形成細小的等軸晶體，同時熔覆層的上層組織出現了明顯的不均勻，一些粗大的條狀物分布在上層阻礙了細小等軸晶的生長，形成許多微觀的組織缺陷。這主要是由于多層堆積過程中，高熔點的成分在冷卻過程中首先凝固，而低熔點的成分隨著固液界面逐漸流向上層，因此熔覆層表層低熔點成分相對較多，成分不均勻性增加。

2.2 激光熔覆層缺陷產生機理分析

激光熔覆以高能激光束作為移動熱源，通過快速加熱、熔化和冷卻為材料加工提供了常規手段無法實現的極端非平衡條件，使成形件具有優異的綜合性能;另一方面，由于局部受熱不均勻及膨脹系數的差異，可能會產生多種缺陷，主要有:氣孔、裂紋、夾雜、顯微縮孔等。

激光熔覆過程中，合金粉末受潮或者基體表面有油、銹或水分等污物存在;熔池保護效果不好，空氣侵入熔池;溶液中的碳與氧反應或金屬氧化物被碳還原成二氧化碳等氣體，在熔覆層快速凝固過程中，這些氣體來不及逸出會形成氣孔。多層堆積過程中，不同成分的元素凝固點不同，高熔點的溶質元素先凝固，而低熔點的溶質元素隨著固液界面逐漸流向上層，因此熔覆層表層低熔點成分相對較多，成分不均勻性增加，熔覆層組織中會出現一些粗大的條狀物夾雜，形成許多微觀的組織缺陷(圖4所示)。這些缺陷會增加熔覆層開裂的敏感性。

激光熔覆蓋的快熱、快冷過程中，由于局部受熱不均勻，使得熔池及周圍材料溫度較高，這部分材料在冷卻和凝固收縮時，必然會受到周圍較冷區域的約束從而產生熱應力，當熱應力大于材料的抗形變能力時，就會產生裂紋。另外液態金屬結晶轉變為固態金屬的過程中，伴隨著金屬體積的收縮，體積收縮可分為三個階段:即液態金屬體積的收縮;由液態金屬轉變為固態金屬時的體積收縮;固態金屬體積收縮。當熔池內材料處于液態時，冷卻過程中，體積收縮可以由自由流動的液態流動的液態金屬來補充，液態金屬體積的變化不會引起組織的形變及內部應力的增大;隨著溫度的快速下降，液態金屬內部形成晶核，在正溫度梯度形成過冷條件下，沿著散熱方向生成柱狀晶和樹枝晶，此階段的體積收縮，仍然可由自由流動的液體來補充，但是隨著柱狀晶和樹枝晶的不斷生長，枝晶之間形成相對封閉區域，這個區域內的液態金屬凝固收縮時，不會有自由流動的液體補充，必然會引起周邊已結晶晶粒的牽制和約束，因此晶粒內部會產生應變，從而產生應力。這時晶粒受到的應力從局部看表現為拉應力。若此階段液態金屬體積收縮比較大，枝晶之間還可能出現顯微縮孔。在應力作用下顯微縮孔往往會成為裂紋源。凝固完成后，隨著溫度的下降固態金屬也會發生體積收縮，由于激光熔覆合金粉末成分不一，局部受熱不均勻，各部分形變不均勻，形變量不同，內應力進一步加大，當應力大于材料的抗形變能力時，就會產生裂紋。

Griffith［8－9］等人的研究結果表明:激光熔覆過程中，平行于激光掃描方向的應力以拉應力為主。隨著激光能量的不斷輸入，熔覆層內殘余應力逐漸累積增大，嚴重時會引起熔覆層開裂，裂紋通常從微觀組織缺陷處(氣孔、夾雜、顯微縮孔)開始萌發。垂直于激光掃描方向的應力開始為拉應力，熔覆高度達到一定數值時，穩定為壓應力。Griffith的研究結果還表明:當熔覆層增加到一定高度時，整個熔覆過程處于均衡階段，殘余應力基本保持不變。其原因在于熔覆初始階段，基體和熔覆層的溫度梯度較大，主要以局部受熱不均勻而產生的熱應力(拉應力)為主，隨著熔覆層數的增加，前道熔覆層的熱量來不及充分擴散，同時結晶潛熱的放出，使得前道熔覆層和后道熔覆層的溫度梯度減小，后道熔覆層加熱時相當于對前道覆蓋層的回火，因此已經凝固的覆蓋層拉應力逐漸減小，甚至出現壓應力。

通過以上分析可知:激光熔覆層缺陷的產生與激光熔覆加工工藝及內部組織分布特征有關。

2.3 激光熔覆層缺陷控制方法

通過優化激光熔覆工藝參數，借助外界因素調整激光熔覆層內部組織分布特征可有效控制缺陷產生。

為了減少氣孔的產生，熔覆前應當徹底清除基材表面的氧化皮和油污;使用干燥的合金粉末;熔覆過程中應當對熔池采用保護措施(保護氣);熔覆層厚度應盡可能減薄，以便熔池內氣體逸出。

為減少夾雜在表層部分的低熔點成分(Fe901合金中的B、Si與其他元素形成的共晶偏聚集在晶界)，降低熔覆層開裂敏感性，可添加一定量能夠與B、Si元素形成高熔點化合物的其他元素如Ti［10］等。

根據殘余應力的形成機理可知，殘余應力是一種不穩定的應力狀態，借助于外界因素(熱處理、施加靜載或動載)可以有效調整和消除殘余應力。由于激光熔覆的殘余應力主要是由于激光快速熔凝所導致的快熱、快冷引起的，因此調整和消除殘余應力采用熱處理方法更為有效。熔覆之前對基體進行預熱處理，熔覆之后進行退火熱處理，可以緩解局部受熱不均勻性，使殘余應力松弛，有效減少裂紋的產生。為了防止退火之后組織粗大，影響材料的性能，必須根據相圖［11］制定合理的熱處理工藝，把握好熱處理的溫度和時間。

3 結語

(1)在45#鋼金屬表面激光熔覆制備了Fe901合金粉末單道多層堆積熔覆層。成形體內部結構分為基體結合區、單層熔覆區、層間結合區、頂部區域四部分。

(2)基體結合區的顯微組織以致密的平面晶為主，單層熔覆區內的顯微組織以柱狀晶和樹枝晶體為主，層間結合區的顯微組織發生一定程度的粗化，頂部區域的顯微組織出現細小的等軸晶，同時覆層表層低熔點成分相對較多，成分不均勻性增加，熔覆層組織中會出現一些粗大的條狀物夾雜，形成許多微觀的組織缺陷。

(3)激光熔覆層缺陷主要有:氣孔、裂紋、夾雜、顯微縮孔等。通過分析這些缺陷產生的機理可知:激光熔覆層缺陷的產生與激光熔覆加工工藝及內部組織分布特征有關。

(4)通過優化激光熔覆工藝參數，借助外界因素調整激光熔覆層內部組織分布特征可以有效控制缺陷的產生。給出了控制缺陷產生的具體方法和手段。

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