激光工藝參數對H13鋼粉末單道成形特性的影響

王岳亮,鐘永華,李福海,馬文有,陳興馳,盧冰文,劉 敏

(廣東省科學院新材料研究所 廣東省現代表面工程技術重點實驗室 現代材料表面工程技術國家工程實驗室,廣東 廣州 510650)

1 引 言

H13(45Cr5MoSiV1)鋼作為較為理想的熱鍛模具鋼,是金屬成型中最常用的模具鋼材料,但由于使用過程中頻繁受到高溫、沖擊載荷和冷卻液侵蝕等影響,在使用過程中極易損壞,過早失效,嚴重降低了H13熱作模具鋼的使用壽命,造成極大的資源浪費[1-3]。激光增材再制造是以激光熔覆技術為基礎,對服役失效零件及誤加工零件進行幾何形狀及力學性能恢復的技術行為,不僅可以使損傷的零部件恢復外形尺寸,還可以使其使用性能達到甚至超過新品的水平,有效延長模具的使用壽命[4]。因而H13鋼的增材再制造修復研究非常重要。

激光增材再制造實質是合金粉末快速熔化和凝固的過程,其形成層的形狀和性能與工藝參數密切相關。為獲得良好的熔覆效果,國內外針對工藝參數對熔覆層形貌影響開展了相關研究。Marzban等[5]研究了在AISI 1040鋼表面激光熔覆時激光功率、送粉速率和掃描速率對熔覆層高度、寬度及熔池深度的影響規律。劉思奇等[6]研究了不同工藝參數對H13鋼表面制備Co42涂層的影響,指出工藝參量(離焦量、掃描速率、脈寬、頻率)對涂層的稀釋率、粗糙度和表面形貌等有很大影響。葉四友等[7]通過回歸分析研究在H13鋼表面制備H13合金涂層的工藝參數對單道熔覆層幾何形貌的影響規律。在激光增材再制造過程中,準確預測單道成形層寬度和高度,能夠提高成形精度和再制造效率,并且為多道、多層激光熔覆工藝規劃提供依據[8-9]。本文在H13鋼基體上激光增材再制造H13粉末單道涂層,并分析不同工藝參數對再制造成形層幾何特征的影響規律,為激光增材再制造修復H13模具提供工藝基礎支撐。

2 試樣材料與方法

采用H13鋼模具鋼作為實驗基材,使用前對基材H13鋼用酒精清洗干凈,去除表面油污鐵銹。熔覆粉末為H13模具鋼粉末,粉末粒度在50～150 μm之間,化學成分(以質量分數計)如表1所示,使用前烘干。

表1 增材再制造H13鋼粉末的化學成分(質量分數%)

激光熔覆設備采用TruDisk 6006激光器,其配置了6+2軸KuKa機械手,送粉頭采用3路同軸送粉；通入氬氣保護,氣體流量為10 L/min。加工時采用正離焦,粉末匯聚點位于基體表面,激光工藝參數為:激光功率為2000～2600 W,光斑直徑為3～5 mm,送粉量由同步送粉器轉盤速度控制為0.27 g/s,熔覆過程中保持熔覆速度600 mm/min。

試樣經磨樣拋光后采用5 %的硝酸酒精溶液(5 mL HNO3,95 mL無水乙醇)對截面和側面進行腐蝕10 s,采用DMIRM550型(LEICA,德國)倒置式金相顯微鏡觀察試樣金相組織；用圖像測量分析軟件測量熔覆層的幾何尺寸,為了減少測量誤差,每個金相試樣熔覆層寬度W和高度H測量了5次取平均值。

3 結果與分析

3.1 成型單道的幾何特征

典型激光熔覆熔道截面如圖1(a)所示。通常可將熔覆層的橫截面分為 3 個區域:熔覆區(CZ)、基體熔化區(MZ)、熱影響區(HAZ),激光熔覆材料的橫截面如圖1(b)所示,其中w表示基體熔化區的寬度,mm；h表示基體熔化區深度,mm；W表示熔覆區寬度,mm；H表示熔覆區高度,mm。

圖1 典型單道熔道層截面圖。

測量并統計的熔道和基體熔化區尺寸隨輻照激光變化關系如圖2中離散點所示。圖中的橫縱坐標誤差棒顯示測量多個位置的測量范圍,最大約為8 %。其中圖2(a)為激光光斑尺寸為4.94 mm時,熔道和基體熔化區幾何參數隨激光功率變化曲線,可以看到熔道寬度、高度及基體熔化寬度、深度均呈現隨激光功率的增加而增加的趨勢,且熔道寬度、高度為先迅速增大后緩慢增大趨勢,基體熔化區寬度、深度經歷從接近0到逐漸增大的過程。圖2(b)為激光功率為2000 W時,熔道和基體熔化區幾何參數隨激光光斑尺寸變化曲線。可以看到熔道寬度、高度及基體熔化寬度、深度均呈現隨激光光斑尺寸的增大而減少的趨勢,且熔道寬度、高度為先幾乎不變后迅速減小的趨勢,基體熔化區寬度、深度隨光斑尺寸增大近似線性減少。

圖2 熔道寬度、高度及基體熔化寬度、深度隨激光參數變化曲線

采用同軸送粉方法進行激光熔覆時,激光功率、光斑直徑、掃描速度會影響能量密度的大小,為了綜合分析熔道幾何尺寸等的影響因素,引入了面能量密度ε,ε=P/VD。不同工藝參數下熔道寬度、高度,基體熔化寬度、深度變化曲線如圖3所示。熔道寬度、高度,基體熔化寬度、深度隨面能量密度增加都有增大趨勢,其中熔道寬度隨面能量密度增加先迅速增大,然后緩慢增加；基體熔化寬度隨面能量密度增加逐步增大,并在一定范圍內迅速增大到與熔道寬度相等后緩慢增加；基體熔化深度隨面能量密度增加逐步增大。

圖3 熔道寬度、高度,基體熔化寬度、深度隨激光面能量密度變化曲線

在激光增材再制造過程中,激光、粉末和基體三者發送相互作用。激光束照射到粉末云上,一部分被粉末吸收,一部分透過粉末云照射到基體上,一部分以反射、散射、對流、輻射等方式損失掉。當面能量密度較小時,激光僅能熔化部分光斑范圍內粉末成型熔道,粉末吸收大部分能量,反向基材吸收熱量較少,基材熱影響區小,在基材表面產生“熱屏蔽”效應,基體熔化區寬度、深度均接近0。隨著激光面能量密度的增大,基體區域接收的能量增大,熔池深度迅速增大,同時,激光能量密度的增加也會將更多的金屬粉末熔化到熔池中使得熔道高度增加。然而,熔化一定的粉末量所需要的激光能量是確定的,一旦超過閾值,粉末易發生氣化甚至形成等離子體,導致熔覆層高度增大緩慢,甚至有減小的趨勢,明顯小于熔池深度增大的幅度。另一方面,由于高斯光束激光光斑中心處能量密度最高,當面能量密度較小時,僅激光光斑中部高能量密度區域范圍粉末可較好熔覆到基體,因而熔道寬度較小,同時基體熔化區域較淺,熱對流作用相對較小,基體熔化區域寬度及深度較小。隨著面能量密度增大,熔覆區材料吸熱熔化充分,因而在一定范圍內熔道寬度迅速增大,增大到與光斑直徑尺寸相當時便開始緩慢增加,同時,基體區域接收的能量增大,熔池寬度也相應增大,直到與熔道寬度一致。

3.2 幾何特征主要影響因素分析

為研究各工藝參數對熔覆層形貌影響的相對大小,采用極差分析法對實驗結果進行了分析,實驗參數設計和極差分析結果見表2和表3。通過極差分析可以獲得各激光工藝參數對熔覆層形貌影響的主次順序,極差R越大,說明該工藝參數對某一指標的權重越大。從極差分析的結果可以看出對于熔覆層寬度影響較大的是激光光斑直徑；對于熔化區深度和寬度的首要的影響因素是激光光斑直徑。而2個工藝參數對熔覆層高度的極差R值非常接近,可認為激光功率、激光光斑直徑對熔覆層高度的權重相同。從圖3中也可以看出高度在不同工藝條件下并沒有發生顯著變化,該極差分析結論與實驗結果吻合。

表2 實驗數據表

表3 極差分析結果

3.3 激光再制造層的幾何特征模型

為分析獲得熔覆層幾何特征與工藝參數間的關聯,建立再制造層幾何特征模型,假設粉末顆粒和基體的熱物理參數不隨溫度變化,粉末顆粒吸收率及發射率為一常數,且粉末流對激光束能量的衰減恒定[10-11]。

一顆粉粒從環境溫度T0被加熱到熔化,所需的最小能量為:

(1)

粉末在光束中受到激光輻照吸收能量,同時通過對流、輻射的方式向周圍環境釋放能量。因此,在激光輻照時間內,一粒恰好熔化的粉末在光束中的能量平衡方程為:

(2)

忽略熔池內部對流和表面張力、送粉氣和保護氣對熔池的擾動等因素影響,假設再制造層邊界由距激光束最遠的被完全熔化的粉末決定,根據激光能量守恒,可以理論推導得到熔覆層寬度W的表達式:

(3)

粉末與激光相互作用過程中,可能由于部分粉末因吸收熱量不夠而來不及熔化成型,也可能由于部分粉末因加熱溫度過高燒損和飛濺落在熔池之外,使得粉末有效利用粉末質量等于熔覆層的質量。根據假設,在激光作用時間t內,熔覆層質量平衡方程如下:

(4)

進而推導得到熔覆層高度H的表達式:

(5)

式中,η為粉末流的遮光率;α為激光吸收率;R為光斑半徑;rp為單個粉末顆粒球的半徑;ρ為金屬粉末的密度;c為金屬粉末的比熱容;ΔHm為金屬粉末的熔化相變熱;T為粉末熔點;T0為環境溫度;Δt為粉末顆粒在激光束中受照射時間的最大值;ε為全發射系數;σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數;h*為熱交換系數;k為粉末有效利用系數;P為激光功率;vp為送粉速率;vs為掃描速率。

本實驗所使用的模型所需工藝參數如表4所示。將各組參數代入模型計算后得到的理論值與實驗值進行比較,作折線圖4。由圖4(a)(圓圈數據)可以看出,當粉末的激光吸收率為常數時,熔道寬度的模型預測結果僅與實驗結果趨勢基本符合,即在面能量密度較小時,成型層寬度隨能量密度增大迅速增加；而當面能量密度達到一定數值后,熔道寬度增速放緩。但明顯存在誤差,模型精度較低。采用變吸收系數的修訂模型擬合結果如圖4(a)(方塊數據)所示,與實驗結果有較好的吻合。

表4 激光增材再制造工藝參數及幾何特征模型系數

圖4 不同吸收系數下熔道寬度理論值與實驗值比較和不同粉末有效利用率下熔道高度理論值與實驗值比較

從圖5可以看出擬合吸收率隨激光能量密度近似線性增長,當面能量密度由4.0 mJ/cm2提高到8.0 mJ/cm2時,粉末的激光吸收率由0.2提升到了0.9。這主要是由于低能量密度激光作用時,粉末升溫較慢,整個激光輻照過程中吸收率相對較低；高能量密度激光作用時,粉末升溫較快,整個激光輻照過程中吸收率相對較高。

由公式(5)可知,在粉末利用率不變的情況下,成型熔道高度與成型熔道寬度成反比,亦即如圖4(b)(圓圈數據)所示,成型高度隨能量密度增大呈先降低后趨于平緩的趨勢,這與實驗結果相差很大。這主要是由于在激光增材再制造過程中,粉末利用率隨輻照能量密度變化而變化。采用變粉末利用率的修訂模型擬合結果如圖4(b)(方塊數據)所示,與實驗結果有較好的吻合。從圖5可以看出,當激光能量密度較小時,粉末有效利用率較低,僅為12 %,而隨著激光能量密度增大,粉末有效利用率逐漸增大,但增大趨勢逐漸趨于平緩,最大可達50 %～55 %。這也與激光增材再制造過程較為吻合,即當面能量密度較小時,激光僅能熔化部分光斑范圍內粉末成型,大量粉末未被完全熔化,無法與基體形成冶金結合的熔覆層,從而導致粉末有效利用率低。而隨著激光能量密度增大,粉末逐漸充分吸收激光能量,有效利用率增大,待粉末充分熔化后,粉末有效利用率增長趨于平緩。

圖5 吸收率與粉末有效利用率隨激光面能量密度變化曲線

4 結 論

本文采用實驗研究了H13鋼表面單道激光熔覆的H13熔覆層,結果表明隨著激光面能量密度的增加,熔池寬度、深度和熔覆層寬度、高度都會增加,且熔池深度有一直增大趨勢,而熔覆層寬度和熔池寬度經歷快速增大到緩慢增大的變化過程,熔覆層高度則增大到一定程度后有降低趨勢。采用極差分析法分析了激光工藝參數對熔覆層熔道寬度、高度及基體熔化區寬度、深度的影響,分析發現對于熔覆層寬度、基體熔化區寬度、深度影響較大的是光斑尺寸,;激光功率、光斑尺寸對熔覆層高度的影響無顯著差別；同時,也結合激光熔覆層幾何特征的數學-物理模型對激光熔覆過程進行分析,數值擬合了不同能量密度激光的粉末利用率。發現隨著輻照能量增大,粉末綜合利用率先提高后趨于平緩。該結果可以激光增材再制造修復H13模具提供工藝基礎支撐。