H13 鋼激光熔覆工藝對熔覆層氣孔缺陷的影響*

李 濤， 張世通， 高曉龍， 劉 晶，張 柯， 余浩魁

（1. 寶雞文理學院機械工程學院， 陜西寶雞 721016；2. 陜西省機器人關鍵零部件先進制造與評估省市共建重點實驗室， 陜西寶雞 721016）

0 前 言

H13 鋼具有良好的耐熱性和優良的抗熱裂能力， 被廣泛用于制造擠壓模具， 但是在擠壓過程中模具頻繁受到高溫、 沖擊載荷和冷卻液侵蝕等影響， 極易損壞[1-3]。 H13 鋼擠壓模具損壞的部位多集中于刃口， 如能將刃口損壞部位修復， 可提高模具的循環使用壽命， 將會產生巨大的經濟價值。

激光熔覆技術利用高能激光束將基體材料表面的粉末顆粒完全熔化并使基體材料表面微熔，冷卻凝固后， 二者形成一個冶金結合的狀態[4]。由于激光熔覆技術具有激光能量密度高、 稀釋率低、 熔覆層組織致密、 工藝過程易于實現自動化等優點， 使其在零件修復與再制造方面具有廣闊的應用前景。

激光熔覆參數如激光功率、 掃描速度、 光斑尺寸、 送粉量及粉末成分等對熔覆質量有著重要影響。 目前國內外學者針對熔覆工藝參數對于熔覆層成形影響進行了相關的研究。 Song 等[5]利用激光熔覆技術在K403 基底上制備K403 涂層，結果表明， 熔覆層的高度、 寬度和熔覆層深度都隨著激光功率的增大而增大； 隨著激光功率的增大， 熔覆層底部分別出現柱狀枝晶、 少量等軸晶、 均勻柱狀枝晶和晶粒生長。 林冉等[6]通過激光熔覆技術在GCr15 鋼基材上成功制備FeCr-NiSi 合金熔覆層， 結果表明， 隨著激光功率的降低或掃描速度的增加， 熔覆層表面硬度提高；當激光功率為2 400 W、 掃描速度為7 mm/s 時，熔覆層最高硬度為781.5HV0.2， 是基材的3.4 倍。上官蕓娟等[7]以Ni60A 合金粉末為熔覆材料， 在Q235 鋼基體表面制備合金涂層， 在2.5 kW 激光功率下， 熔覆層最高硬度是基體硬度的4.6 倍，摩擦系數較小， 有效提高了低碳鋼表面硬度及耐磨性。 Erfanmanesh 等[8]利用激光熔覆技術制備WC-12Co 金屬陶瓷復合涂層， 建立了單道熔覆層幾何特性與工藝參數關系的數學模型。 童文輝等[9]對激光工藝參數TiC-鈷基合金熔覆層顯微組織及性能的影響規進行研究， 表明熔覆層枝晶含量和間距會隨著激光功率的降低或者掃描速度的增加而增大， 且熔覆層最高顯微硬度達到1 246.6HV0.2， 相對基體提升接近5 倍。 在激光熔覆過程中， 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[10-11]。 但是， 大部分的研究集中于熔覆參數對熔覆層微觀組織和力學性能的影響， 而關于熔覆工藝參數對熔覆層氣孔缺陷影響的相關研究較少。

本研究采用正交試驗方法， 研究了激光熔覆參數對H13 鋼熔覆層氣孔缺陷和成形的影響規律， 分析了在較優工藝下獲得的熔覆層的微觀組織和力學性能。

1 試驗方法

試驗基材為H13 鋼， 試板尺寸為100 mm×100 mm×6 mm。 利用砂紙對試板進行打磨并用無水乙醇進行清洗， 去除試板表面油污和鐵銹等雜質。 熔覆材料選擇與基體成分相同的H13鋼粉末， 其粒度范圍為50～100 μm， 宏觀形貌如圖1 所示。 在使用前需對熔覆粉末進行烘干，其化學成分見表1。

表1 H13 鋼化學成分%

激光熔覆試驗設備由4 000 W 光纖激光器、三軸運動平臺、 同軸送粉頭、 送粉器等構成， 熔覆過程如圖2 所示。 為了防止空氣中H、 O、 N對熔覆層造成污染， 采用純度為99%Ar 作為保護氣。 光斑直徑、 搭接率、 氣流量在整個試驗過程中保持恒定， 其中光斑直徑為3 mm， 搭接率50%， 同軸保護氣流量為20 L/min， 載氣送粉氣流量為9 L/min。 正交試驗因素和水平設計見表2，試驗參數見表3。

表2 正交試驗因素和水平設計

表3 正交試驗工藝參數

利用電火花線切割機對熔覆試樣進行加工，經預磨、 拋光后制備成金相試樣。 采用3 mL HNO3+97 mL C2H6O 混合溶液對H13 鋼金相試樣進行腐蝕， 腐蝕時間為25 s。 利用光學顯微鏡（OM）、 掃描電（SEM） 對熔覆層宏觀形貌、 氣孔缺陷、 微觀組織及化學成分進行分析。 同時， 對熔覆層的顯微硬度進行測試， 加載力載荷500 g，保載時間10 s。

2 試驗結果與分析

2.1 熔覆層宏觀形貌

圖3 為不同工藝參數下獲得的H13 鋼熔覆層橫截面形貌， 從圖3 可以看出， 在所有熔覆工藝參數下， 熔覆層均無裂紋產生， 但熔覆層易形成氣孔缺陷。 當采用工藝參數4、 參數6和參數8 時， 熔覆層存在大量氣孔， 但在工藝參數3 下， 熔覆層幾乎無氣孔存在， 這表明激光熔覆工藝參數對氣孔數量有較大影響。

圖4 是熔覆層中氣孔缺陷形貌， 可以看出，盡管氣孔尺寸存在較大差異， 但氣孔都呈圓形。 熔覆過程中， 如果熔敷粉末自身存在水分、 氧化物或熔覆保護氣隨著熔覆粉末一起被卷入熔池形成氣泡， 在高的冷卻速度下， 氣泡不能及時逸出， 被凝固組織捕獲， 就會形成氣孔缺陷。 圖5 和表4 是氣孔缺陷底部形態和成分測試結果。 在氣孔內壁， 未發現O、 N 等元素存在。 在試驗中， 所用粉末被充分干燥， 受粉末自身攜帶水分形成氣孔的影響較小， 因此可推測H13 鋼熔覆層中氣孔形成和Ar 氣的卷入有較大關聯。

表4 氣孔成分分析結果

2.2 正交試驗結果及分析

表5～表7 是對不同工藝參數下氣孔數量和熔覆層厚度統計及極差分析結果， 通過極差分析可知， 熔覆工藝參數對氣孔數量和熔覆層厚度影響程度均為： 掃描速度＞激光功率＞送粉速度。

表5 氣孔數量與熔覆層厚度統計結果

表6 氣孔數量極差分析結果

表7 熔覆層厚度極差分析結果

圖6 所示是激光功率、 激光掃描速度及送粉速度對氣孔數量和熔覆層厚度的影響， 從圖6可以得出， 熔覆層厚度和氣孔數量均隨著激光功率的增加而增大， 但隨掃描速速度的增加而減小。 同時， 送粉速度對氣孔數量和熔覆層厚度基本無影響。

圖7 所示是熔覆層厚度與氣孔數量關系曲線， 通過圖7 可以看出， 當熔覆層厚度低于200 μm 時， 氣孔數量較少； 當熔覆層厚度大于200 μm 時， 隨著熔覆層厚度的增大， 氣孔數量也隨之增加。 這說明當熔覆層較薄時， 由保護氣卷入熔池形成的氣泡能及時的逸出， 使得氣孔數量下降。 另外， 從圖7 可以發現， 當熔覆層厚度低于200 μm 時， 同一熔覆層厚度對應兩個不同的氣孔數量。 這是因為在相同的掃描速度下， 不同的激光功率和送粉速度同時對氣孔數量產生影響， 導致在同一熔覆層厚度下存在不同的氣孔數量。

2.3 微觀組織和顯微硬度

圖8 所示是激光功率為1 300 W、 送粉速度為28 g/min、 激光掃描速度為7 mm/s 時的熔覆層微觀組織， 熔覆層主要由熔覆區、 過渡區和基體三部分組成。 熔覆區微觀組織呈等軸狀， 主要由大量的針狀馬氏體和少量的碳化物組成， 相關研究也得出了同樣的結果[12]。 相比于熔覆層組織， 過渡層中馬氏體含量減小， 有大量的奧氏體和碳化物形成， 這是由于過渡層的加熱溫度和冷卻速度低于熔化區， 導致奧氏體不能完全轉變成馬氏體， 因此過渡層中存在較多奧氏體[13]。

熔覆層顯微硬度測試結果如圖9 所示， 熔覆層顯微硬度值為650HV0.5～710HV0.5， 約為基體顯微硬度的1.4 倍。 在較高的冷卻速度下， 熔覆層有大量的針狀馬氏體形成， 導致熔覆層硬度升高。

3 結 論

（1） 正交試驗結果顯示， 工藝參數對熔覆層氣孔和熔覆層厚度的影響顯著性排序均為： 掃描速度＞激光功率＞送粉速度。

（2） 氣孔缺陷的形成和熔覆過程中Ar 被卷入熔融金屬不能及時逸出有關。 當熔覆層厚度＜200 μm 時， 氣孔數量明顯減小。

（3） 當激光功率為1 300 W、 送粉速度為28 g/min、 激光掃描速度為7 mm/s 時， 能夠獲得無裂紋和無氣孔缺陷的熔覆層。

（4） 熔覆層微觀組織呈等軸狀， 由大量的針狀馬氏體和少量的碳化物組成， 顯微硬度為650HV0.5～710HV0.5， 是基體硬度的1.4 倍。