激光熔覆工藝參數對熔覆層質量影響研究

龔玉玲，徐曉棟

(泰州學院船舶與機電工程學院，江蘇泰州 225300)

0 前言

激光熔覆技術是通過發射高能激光束照射在基體表面，在基體表面形成高溫熔池，促使基體表面和熔覆粉末熔化后在基體表面形成致密的合金涂層。該技術具有結合熱影響范圍小、變形小、稀釋率可控等優點，為發動機曲軸、汽輪機葉片等復雜零件的表面修復或強化提供有效的技術手段。激光熔覆工藝參數的改變會直接影響熔覆層的幾何形貌、顯微組織、殘余應力和力學性能等方面，因此對激光熔覆工藝參數進行相關研究，以獲得致密、性能優良的熔覆層非常必要[1]。綜合考慮，激光熔覆加工中可調整的工藝參數主要有激光功率、送粉速率、掃描速度、光斑直徑等，這些工藝參數的選定直接影響其熔覆質量[2]。熔覆質量主要從宏觀質量和微觀質量兩方面評價[3]。宏觀質量評估要求為熔覆層表面光滑、無裂紋等缺陷、高/寬的比例適當；微觀質量評估要求為熔覆層與基體冶金結合緊密、稀釋率較低、合金成分均勻。激光熔覆的單層單道成形工藝是多層多道的大面積熔覆搭接的基礎，探究工藝參數對單層單道的影響，可為多層多道搭接提供必要的理論基礎。CHENG等[4]探究了掃描速度和能量密度對42CrMo表面激光熔覆鐵基涂層的顯微硬度影響。崔宸等人[5]探究了激光功率對42CrMo表面激光熔覆鈷基顯微組織及力學的影響規律。張德強等[6]通過對層間激光停留時間的調控，減少熔覆層氣孔、裂紋等缺陷的產生，提高熔覆層的顯微硬度。雖然通過工藝參數調整熔覆層質量等方面取得了一定成果，但是仍存在工藝參數選擇較少、參數之間相互影響分析不足等問題。

本文作者采用正交試驗，以激光熔覆的激光功率、送粉速率、掃描速度、光斑直徑等4個工藝參數為影響因素，分析工藝參數對熔覆層幾何形貌和稀釋率的影響，在合理的區間范圍內，獲得最優工藝參數組合。

1 試驗設計

1.1 試驗設備及材料

激光熔覆設備為南京某研究所的萬瓦級激光熔覆加工平臺；DISK12003碟片式激光器，TRUMPF激光頭；RC-PGF-D-1型單筒單控式送粉器，送粉方式為光外同軸送粉，送粉粉末粒度50～150 μm；氬氣保護熔覆層，防止氧化；光斑為圓形光斑。同軸送粉激光熔覆加工如圖1所示。

圖1 同軸送粉激光熔覆加工

熔覆基板采用42CrMo合金鋼，尺寸為100 mm×100 mm×12 mm。熔覆前對待熔覆表面噴丸打磨平整后，用無水乙醇清洗表面的油污等雜質，放入加熱爐中加熱至120 °C并保溫1 h，以防止基板內的水分影響熔覆質量。熔覆粉末選用司太利鈷基6(Stellite6)粉末，該粉末具有良好的耐腐蝕和耐高溫摩擦性能，且與基體的熱膨脹系數基本接近，有利于粉末和基體的結合。基體與熔覆的化學成分見表1。采用某Su1510型掃描電子顯微鏡觀察Stellite6合金粉末形貌，如圖2所示，Stellite6合金粉末基本為球形、大小均勻、未出現團聚，尺寸在50～150 μm之間。

表1 42CrMo和Stellite6合金粉末中化學各元素的質量分數 單位：%

圖2 Stellite6合金粉末的形貌

1.2 正交試驗設計

在激光熔覆加工中，對工藝參數進行合理選擇及合理組合匹配，才能獲得質量較好的熔覆涂層。為研究工藝參數及工藝組合對熔覆層幾何形貌和稀釋率的影響，確定各個因素對其影響權重及影響規律，以激光熔覆的工藝參數：激光功率、送粉速率、掃描速度、光斑直徑作為研究對象，采用四因素四水平L16(44)正交試驗設計方案，在42CrMo表面進行單道單層激光熔覆試驗，單道形貌如圖3所示。以熔覆高度、熔覆寬度、稀釋率為考察指標，分析工藝參數對熔覆質量的影響，選擇最佳工藝參數組合。激光熔覆結束后常溫冷卻，沿著垂直與熔覆方向線切割15 mm×15 mm×15 mm的試樣，對試樣鑲樣并用400～2 200目的砂紙打磨后，用蔡司體視顯微鏡拍照，并將圖片導入AutoCAD中，測量熔覆截面幾何尺寸。以第10組為例，測量的橫截面如圖4所示。

圖3 熔覆層宏觀外形

圖4 熔覆層橫截面

熔覆層分為熔覆區、基體融化區、熱影響區和基體4個部分，w1、h1分別表示熔覆區寬度、高度；w2、h2分別表示基體融化區的寬度和深度。用S1、S2分別表示熔覆區、基體融化區的面積，則稀釋率η的計算公式[7]為

(1)

2 試驗結果及分析

2.1 工藝參數對熔覆寬度和熔覆高度的影響

從圖3可見:在不同工藝參數影響下，熔覆層寬度、高度、成形質量有顯著不同;第4組熔覆層成形質量比較差，熔覆層與基體結合縫隙大，其他組成形形貌較好，但是熔覆層高度、寬度差異比較明顯。進一步測量不同工藝下橫截面幾何尺寸，結果見表2。表中：Rw、Rh、Rη分別表示熔覆寬度、熔覆高度及稀釋率在4個因素下測量結果的均值極差；rw、rh、rη分別表示熔覆寬度、熔覆高度及稀釋率3個測量結果受4個因素影響的權重排序。通過極差值與排序，判斷工藝參數對質量的影響情況。

表2 正交試驗及測量結果分析

由表2可見:對于熔覆寬度，Rw(P)>Rw(vs)>Rw(vf)>Rw(D)，即影響熔覆寬度由強到弱依次是激光功率、掃描速度、送粉速率、光斑直徑。由圖5(a)可知：隨著激光功率和光斑直徑的增加，熔覆層寬度增加；當掃描速度和送粉速率增加時，熔覆寬度降低。以影響熔覆寬度最大的激光功率為分組對象，激光功率由1 100～2 600 W逐漸增加，熔覆寬度呈上升趨勢。當激光功率不變時，掃描速度增加，線能量密度(激光功率/掃描速度)[8]降低，即提供給熔池粉末的能量減少，此時熔池內能量不足以提供大量粉末熔化所需的能量，就會出現熔覆寬度降低，甚至出現熔覆層難成形的現象，如第4組，線能量密度最低，熔覆層成形質量較差。送粉速率與熔覆寬度成反比，這是因為當激光功率不變時，送粉速率增加，在激光能量光斑區域內，熔池存在時間較短，粉末吸收足夠的能量迅速熔化后凝固，熔覆粉末堆積成形，熔覆層寬度降低，熔覆高度增加。圖5(b)所示為激光功率分別為1 100、1 600、2 100、2 600 W時，相應的掃描速度和送粉速率交互作用對熔覆層寬度的影響，與圖5(a)總體變化趨勢一致。

圖5 工藝參數對熔覆寬度w1的影響

由表2可知，對熔覆高度影響較弱的是光斑直徑。圖6(a)可見：熔覆高度隨著激光功率、送粉速率的增加，熔覆高度顯著增加；隨著光斑直徑增加，熔覆高度緩慢增加；隨著掃描速度的增加，熔覆高度明顯降低。圖6(b)所示為以對熔覆高度影響最大的掃描速度為主因素，即以掃描速度7、9、11和13 mm/s 4個水平分組，反映對熔覆高度影響較大的3個因素交互作用下熔覆高度的變化。可知：當掃描速度較低為7 mm/s時，激光功率和送粉速率均增加時，隨著線能量的增加，同時送粉速率增加，即單位時間內熔池的能量增加，送入熔池的粉末也增加，熔覆高度增加，但是由于熔化的液態金屬在重力和馬蘭格尼對流等作用力下流動[9]，熔覆高度無法持續增加，稍有回落；隨著掃描速度的增加，特別是增加到13 mm/s時候，激光功率較少而送粉量又較大時，熔池能量較少，停留在一處的時間很短，不利于熔覆高度堆積，在速度較高時，熔覆高度明顯偏低。掃描速度較高，需要較高的激光功率，才能為熔池單位時間內提供足夠的能量，同時還需要保證足夠的粉末輸入量，才能獲得合適的熔覆高度。

圖6 工藝參數對熔覆高度h1的影響曲線

2.2 工藝參數對稀釋率的影響

作為評判熔覆質量的一項重要指標，稀釋率的高低對熔覆性能有很大的影響。稀釋率過小，熔覆層與基體結合不夠緊密，熔覆層容易脫落；稀釋率過高，易造成更多的熔覆粉末進入基體，與基體熔合，使得熔覆層內的雜質增加，熔覆層易出現氣孔、裂紋、變形等缺陷。由表2可知，Rη(P)>Rη(D)>Rη(vs)>Rη(vf)，即影響熔覆層稀釋率的主要因素為激光功率，其次是光斑直徑、掃描速度、送粉速率。由圖7(a)可知：隨著激光功率與掃描速度增加，稀釋率增加；隨著送粉速率與光斑直徑增加，稀釋率均呈現出下降趨勢。因為熔化一定的粉末需要一定的能量，但是當能量超過一定閾值時，則容易出現粉末氣化現象，形成等離子體[10]，熔覆高度的增幅少于熔覆深度的增幅，因此當激光功率增加時，稀釋率隨之增加。圖7(b)所示為激光功率按照1 100、1 600、2 100、2 600 W成組增加時，在光斑直徑和掃描速度交互作用下稀釋率的變化情況。可知：當激光功率較低為1 100 W時，激光功率的主要能量用于熔覆粉末的熔化，激光能量穿透粉末供給基體的能量很少，基體熔化與粉末融合的量少，稀釋率較低；隨著功率的增加，提供給熔池的能量增加；光斑直徑與掃描速度相比，影響稀釋率的主要因素為光斑直徑；當激光功率較高為2 100 W時，光斑直徑小，掃描速度較快，單位時間內熔池在某點的停留時間較短，粉末和基體熔化能量高，稀釋率較大；當激光功率繼續增加到2 600 W時，熔覆層表面部分粉末氣化，熔覆深度的增加大于熔覆高度的增加，稀釋率有所降低。

圖7 工藝參數對稀釋率η的影響曲線

熔覆層稀釋率對熔覆性能有較大影響，一般稀釋率控制在5%～10%之間最佳。當寬度與高度比大于5，即w1/h1>5時，會減少裂紋的產生[11]。因此，根據圖8所示的激光功率和w1/h1等值曲線可知：在稀釋率為5%～10%且w1/h1>5時，激光功率在1 650 W以下較好。綜合考慮16組熔覆形貌及幾何尺寸，第8組的成形形貌很好，同時稀釋率和w1/h1在要求范圍內，因此選擇第8組為最優工藝參數，即：激光功率為1 600 W、掃描速度為13 mm/s、送粉速率為24 g/min、光斑直徑為3 mm。

圖8 激光功率與w1/h1等值曲線圖

3 結論

本文作者采用正交試驗，分析了激光功率、光斑直徑、掃描速度、送粉速率及其交互作用對熔覆層寬度、高度、稀釋率的影響規律。綜合成形形貌，在稀釋率為5%～10%且w1/h1>5時，優選出最佳工藝參數，結論如下：

(1)影響熔覆寬度的因素由強到弱依次是激光功率、掃描速度、送粉速率、光斑直徑；提高激光功率、減少掃描速度，可以提高熔覆層寬度；

(2)影響熔覆高度的因素由強到弱依次是掃描速度、激光功率、送粉速率、光斑直徑；在適當的送粉速率條件下，低速掃描、提高激光功率，可以提高熔覆層高度；

(3)影響熔覆層稀釋率的主要因素為激光功率和光斑直徑，因此選擇合適的光斑直徑和激光功率，可以獲得適合的稀釋率；

(4)熔覆層最優工藝參數組合為激光功率1 600 W、掃描速度為13 mm/s、送粉速率為24 g/min、光斑直徑為3 mm。