激光熔覆層裂紋的產(chǎn)生和抑制措施

于海洋

一重集團天津重工有限公司

激光熔覆層裂紋是目前激光熔覆技術(shù)應(yīng)用中較為常見的問題之一，雖然該技術(shù)融合了多學(xué)科知識內(nèi)容，整體技術(shù)水平比較高，但是易受到較多因素影響而存在熔覆層穩(wěn)定性差的問題，無法保障技術(shù)精度，從而產(chǎn)生裂紋缺陷。為持續(xù)擴大該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，改善技術(shù)缺陷，則應(yīng)對產(chǎn)生裂紋的因素進(jìn)行深入、細(xì)致分析，了解和掌握具體原因之后制定針對性的抑制措施，從而實現(xiàn)對熔覆層裂紋的有效控制，這對該技術(shù)的性能優(yōu)化和應(yīng)用發(fā)展有著重要意義。

一、激光熔覆層裂紋的產(chǎn)生

（一）裂紋的形成機理

激光熔覆過程會產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，具有急熱急冷特點，通過快速加熱和迅速冷卻會產(chǎn)生應(yīng)力拉伸，但由于熔覆層材料與基體之間的多種物理性能存在差異，所以在熔覆過程中產(chǎn)生較多殘余應(yīng)力，這類應(yīng)力若超出熔覆層的可承受能力，則容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，會在一些特殊位置出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，熔覆層表面氣孔、夾雜和微裂紋等都是產(chǎn)生裂紋問題的源頭部位，開裂嚴(yán)重時還會導(dǎo)致熔覆層脫落，無法保障產(chǎn)品熔覆質(zhì)量。

（二）熔覆層中的殘余內(nèi)應(yīng)力

第一，熱應(yīng)力。激光熔覆過程中由于熔覆層材料與基體材料的熱膨脹系數(shù)不同，在加熱和冷卻處理過程中每種材料的彈性變化、收縮膨脹速度和變形程度存在差異，導(dǎo)致熔覆層受到一定擠壓，在此過程中產(chǎn)生的作用力為熱應(yīng)力。熱應(yīng)力會對晶界產(chǎn)生一定作用生成脆性化合物，這類化合物與熔覆層熱膨脹系數(shù)不同，在差異過大和熱應(yīng)力超過材料屈服極限時就會導(dǎo)致晶界開裂[1]。熱應(yīng)力的大小與材料溫差呈正比例關(guān)系，而且這一應(yīng)力也會隨著熔覆層熱膨脹系數(shù)的變化而表現(xiàn)出不同類型的應(yīng)力，在該系數(shù)超過基體熱膨脹系數(shù)時會產(chǎn)生拉應(yīng)力，若小于該系數(shù)則產(chǎn)生壓應(yīng)力，后者可減少熔覆層開裂。

第二，約束應(yīng)力。激光熔覆層收縮過程中會產(chǎn)生溫度梯度差，這就導(dǎo)致不同位置的溫度不同，收縮程度不同，對于產(chǎn)生收縮的位置，熔覆層收縮時會對其造成擠壓，產(chǎn)生的作用力為約束應(yīng)力。激光熔覆時熔覆層材料中間部位材料散熱速度要比四周慢一些，那么在收縮階段就會受到四周的擠壓，從而產(chǎn)生約束應(yīng)力。或者熔覆材料加熱熔化，部分材料也會出現(xiàn)膨脹變形情況，而后在冷卻階段該部位縮小變窄，熔覆層就會受到約束從而產(chǎn)生約束應(yīng)力。一般情況下，熔覆層邊界部位會產(chǎn)生較為集中的熱應(yīng)力，若超出該結(jié)構(gòu)部位強度，則會導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

第三，組織應(yīng)力。熔覆層材料冷卻凝固的過程中其物理性質(zhì)會發(fā)生改變，液體凝固到冷卻至常溫過程中溫度狀態(tài)發(fā)生了改變，物相組織轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的應(yīng)力屬于組織應(yīng)力。由于熔覆層材料相變過程具有復(fù)雜特點，不同相之間體積溫度、彈性模量、膨脹系數(shù)等變化存在較大差異，或者同一相中晶體的方向不同，上述系數(shù)也有所不同，所以會產(chǎn)生組織應(yīng)力。通過研究發(fā)現(xiàn)，熔覆材料凝固階段若出現(xiàn)異常情況，晶界存在低熔點共晶物液膜，那么在應(yīng)力作用下很容易出現(xiàn)開裂情況，隨著應(yīng)力增加熔覆層裂紋也會逐漸擴大。一般會通過調(diào)整工藝參數(shù)的方式對激光熔覆過程中的組織應(yīng)力進(jìn)行控制。

（三）裂紋形成的影響因素

工藝參數(shù)設(shè)計是否合理會對激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用效果產(chǎn)生直接影響，涉及的參數(shù)內(nèi)容比較多，如設(shè)備功率大小、掃描速率、預(yù)熱溫度、能量密度和線能量等。熔覆層裂紋發(fā)生率與激光設(shè)備的光斑直徑、掃描速度和功率等密切相關(guān)，功率越大，裂紋產(chǎn)生的數(shù)量和概率也越大。不同材料應(yīng)設(shè)置的工藝參數(shù)不同，若實際參數(shù)超出或者低于最佳參數(shù)，都會導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)。同時，粉末的類型也是導(dǎo)致激光熔覆層裂紋產(chǎn)生的主要因素，通過研究不同粉末對裂紋產(chǎn)生的影響可以發(fā)現(xiàn)，每種粉末形成的熔覆層質(zhì)量差異明顯，選擇與基體材料熱膨脹系數(shù)更為接近的熔覆材料則可控制裂紋產(chǎn)生。

二、激光熔覆層裂紋的抑制措施

（一）優(yōu)化工藝參數(shù)

第一，增加激光功率或減少送粉量。要想對激光熔覆層裂紋問題的產(chǎn)生進(jìn)行抑制，則應(yīng)根據(jù)基體材料性質(zhì)特點對熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，由于工藝參數(shù)類型較多，一般會分析對裂紋產(chǎn)生影響程度較大的工藝參數(shù)并對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證熔覆層加熱冷卻過程中吸收的能量合理。有研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在不調(diào)整其他工藝參數(shù)的條件下，適當(dāng)增加激光設(shè)備功率或者減少粉末用量，能夠在一定程度上增大各部位接收的激光能量，可實現(xiàn)對開裂問題的有效控制[2]。熔覆層所吸收的能量增加后裂紋面積逐漸減小，但在超過熔池接收能量范圍內(nèi)后裂紋面積也會逐漸擴大，應(yīng)降低熔覆池稀釋率，控制熱應(yīng)力產(chǎn)生。

第二，降低能量密度和線能量。能量密度和線能量也是影響激光熔覆層裂紋產(chǎn)生的工藝參數(shù)，對這兩項參數(shù)進(jìn)行控制，適當(dāng)降低參數(shù)值，則能夠抑制裂紋的產(chǎn)生，控制裂紋的面積和大小。為保障熔覆層質(zhì)量，與基體結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分結(jié)合，應(yīng)注意將上述參數(shù)調(diào)整到一定數(shù)值之上，不能出現(xiàn)數(shù)值過低的情況。同時，在確定激光熔覆能量密度和線能量的過程中也需要考慮到激光的掃描速度，送粉率等，綜合分析后進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化。另外，搭接率對激光熔覆層質(zhì)量的影響也比較大，該參數(shù)過大或者過小會導(dǎo)致熔覆層氣孔、開裂或者表面凹陷，因此，應(yīng)根據(jù)實際情況對這一數(shù)值進(jìn)行合理選擇，從而優(yōu)化成型效果。

（二）合理設(shè)計熔覆層材料

第一，保證熔覆材料與基體材料相匹配。進(jìn)行熔覆層材料選擇和設(shè)計階段需要充分考慮到基體材料的性質(zhì)，選擇各方面性能與其相匹配的材料，通常要重點考慮材料之間的比熱容和熱膨脹系數(shù)，應(yīng)保障相關(guān)數(shù)值差異不大。對二者膨脹系數(shù)差異進(jìn)行控制可以降低熱應(yīng)力的產(chǎn)生，實現(xiàn)對裂紋的有效抑制。在熔覆層熱膨脹系數(shù)偏小時產(chǎn)生的熱應(yīng)力通過壓應(yīng)力體現(xiàn)，也會減少裂紋問題的發(fā)生率。由此可見，在設(shè)計熔覆層材料的過程中應(yīng)從降低與基體材料這一系數(shù)之間的差異入手，盡可能減小二者的系數(shù)差。另外，還應(yīng)控制比熱容，若基體材料該指標(biāo)較大則會在熔覆過程中吸收較多熱量，在冷卻過程中導(dǎo)致熔覆層溫度梯度增加，從而導(dǎo)致表面裂紋產(chǎn)生，所以要保證二者比熱容相近。

第二，增強熔覆層材料韌性和塑性。激光熔覆層技術(shù)應(yīng)用過程中可在運用的材料粉末中加入合金元素，對熔覆層材料進(jìn)行合金化處理，有利于增加相關(guān)材料的韌性，那么在對基體進(jìn)行熔覆處理的過程中就可以降低裂紋問題的出現(xiàn)。比如可以在NiCrBSi 粉末中加入鐵釩、鐵鈦、鐵硅合金，能夠增加所用熔覆材料的韌性，強化其抗裂性能[3]。NiCrBSi 激光熔覆層裂紋的發(fā)生率比較高，主要與其微觀組織分布較為雜亂和內(nèi)部韌性相關(guān)數(shù)量較少有關(guān)，而加入合金元素后可改變微觀組織結(jié)構(gòu)，熔覆層合金元素枝晶變粗，從而增加熔覆層整體韌性，避免裂縫出現(xiàn)。在熔覆層加入一些稀土元素和稀土氧化物，也能夠調(diào)整所用材料組織結(jié)構(gòu)實現(xiàn)細(xì)化處理，不但可以增強韌性也可以避免熔覆層出現(xiàn)硬脆現(xiàn)象，在抑制裂紋問題方面能夠獲得良好效果。

第三，材料熱處理方法。控制熔覆前后的溫度差能夠減少熱應(yīng)力產(chǎn)生，降低應(yīng)力作用導(dǎo)致的裂紋問題。那么在實際應(yīng)用激光熔覆技術(shù)之前，應(yīng)注重對基體材料進(jìn)行預(yù)熱處理，縮小與熔覆層的溫度差。對于一些熔覆結(jié)束的產(chǎn)品可采用退火處理方式控制應(yīng)力的產(chǎn)生，常見方式為激光重熔，在消除熔覆后殘余應(yīng)力方面起到了良好作用。具體操作過程中不會對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)造成破壞，無需進(jìn)行拆卸處理，直接進(jìn)行二次加熱。有學(xué)者對用激光重熔處理后的產(chǎn)品和未處理產(chǎn)品的裂紋情況進(jìn)行對比，可發(fā)現(xiàn)處理后的產(chǎn)品其熔覆層應(yīng)力分布更加均勻，殘余應(yīng)力比較小，與未處理產(chǎn)品的熔覆層相比拉應(yīng)力下降數(shù)值較為明顯。而且通過二次加熱處理后的熔覆層硬質(zhì)相的分布也較為均勻，不易發(fā)生裂紋。但是預(yù)熱處理也會降低基體熔覆層抵御外界影響的能力，實際進(jìn)行預(yù)熱處理或者熔覆后熱處理的過程中也要結(jié)合產(chǎn)品實際情況進(jìn)行合理的處理設(shè)計。

（三）熔覆層應(yīng)力場的檢測及控制

第一，了解應(yīng)力場分布情況。熔覆層應(yīng)力場對產(chǎn)品熔覆后表面裂紋的產(chǎn)生有著較大影響，該應(yīng)力場的影響因素比較多，容易受到熔覆層性能、溫度和基體材料韌性、強度、相變溫度點以及前期熱處理程度等方面的影響。在運用激光熔覆技術(shù)過程中要先對應(yīng)力場進(jìn)行檢測，了解其分布情況，并從控制裂紋問題出現(xiàn)的角度出發(fā)進(jìn)行調(diào)整和控制，可降低其對裂紋產(chǎn)生的影響。要測定熔覆層各個方向的殘余應(yīng)力和應(yīng)力場，了解不同材料、不同工藝參數(shù)情況下的應(yīng)力分布情況，以此為依據(jù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，以此降低裂紋產(chǎn)生。

第二，減小熔覆層拉應(yīng)力。為實現(xiàn)對熔覆層拉應(yīng)力的產(chǎn)生進(jìn)行有效控制，可通過在此過程中加入電磁場的方式來調(diào)整應(yīng)力，改變殘余應(yīng)力表現(xiàn)形式，將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，以此抑制裂紋產(chǎn)生。部分學(xué)者還采用先熔覆一層過渡層的方式來減小拉應(yīng)力，但從實驗結(jié)果可知過渡層在減少殘余應(yīng)力方面的作用不明顯。由于激光熔覆技術(shù)應(yīng)用時會出現(xiàn)較多的化學(xué)現(xiàn)象和物理現(xiàn)象，所以進(jìn)行熔覆層應(yīng)力場的檢測存在一定難度，部分學(xué)者為保證測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的方式進(jìn)行測定，能夠獲得準(zhǔn)確結(jié)果，所以可以用這一測定方法為后續(xù)各項參數(shù)調(diào)整提供參考數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對裂紋的合理控制[4]。

（四）采用多種輔助方法

第一，超聲波振動場。對多種類型輔助場的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，在熔覆過程中施加輔助場能夠?qū)θ鄢貐?shù)進(jìn)行控制與調(diào)整，但不會與材料直接接觸，避免了對熔覆層質(zhì)量的影響。用振動場進(jìn)行輔助熔覆的過程中，在振動作用下液體會向著一定方向流動，而且振動過程中產(chǎn)生的聲音也會對液體流速產(chǎn)生不同程度的影響，輔助期間的機械效應(yīng)較為明顯，有利于熔池均勻傳遞熱量與質(zhì)量，還可以降低各部位的溫度差，改善熔覆層微觀組織結(jié)構(gòu)，保障結(jié)構(gòu)分布的均勻性，從而減少殘余應(yīng)力。超聲波振動在調(diào)整熔覆層組織結(jié)構(gòu)和枝晶狀態(tài)方面能獲得良好效果，在超聲波振動幅度加大的過程中枝晶破碎，內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了進(jìn)一步細(xì)化，增強了粉末的流動性，使熔覆層更加均勻。但是在實際運用超聲場的過程中也不能出現(xiàn)振幅過大的情況，否則會影響熔覆層的表面質(zhì)量，導(dǎo)致整體硬度下降。

第二，電磁輔助場。熔覆層成型階段會出現(xiàn)溫度梯度差，熔池表面溫度高低對其表面張力有著直接影響，所以也會形成表面張力梯度，由于中心部位吸收的能量較多，會逐漸向外圍流動。在Marangoni 效應(yīng)作用和浮力作用下，熔池液體會產(chǎn)生壓力差從而出現(xiàn)中心熔體上浮現(xiàn)象，促進(jìn)了熱量和質(zhì)量傳遞。使用電磁輔助場可以向熔池中引入作用力改變?nèi)垠w流速，削弱熔池中的壓力差，還能對晶粒進(jìn)行細(xì)化處理，從而減少應(yīng)力產(chǎn)生。在熔池流速不斷加快的過程中熔覆材料內(nèi)部組織分布也更加均勻，所以能夠控制熱應(yīng)力的產(chǎn)生，防止熔覆層出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

第三，其他輔助方法。部分學(xué)者對復(fù)合輔助場對激光熔覆層裂紋的抑制作用與單一輔助場進(jìn)行了對比，實現(xiàn)耦合直流電場、交變磁場和超聲場的聯(lián)合輔助作業(yè)，觀察熔覆層枝晶破碎情況，通過研究結(jié)果可知，復(fù)合輔助場比單一輔助場的晶體細(xì)化程度更好，熔覆層各類元素的分布更加均勻，控制熔覆層裂紋的效果良好[5]。還有一些學(xué)者通過在熔覆層中加入不銹鋼網(wǎng)的方式控制了應(yīng)力的產(chǎn)生，該過程充分發(fā)揮了不銹鋼網(wǎng)的塑性性能和屈服性能，促進(jìn)了熔覆層中殘余應(yīng)力的釋放，降低了應(yīng)力影響。

結(jié)語

綜上所述，導(dǎo)致激光熔覆層裂紋產(chǎn)生的原因比較多，目前對于裂紋還缺乏相對完善、簡單合理的控制與規(guī)避方法，實際進(jìn)行抑制處理時主要根據(jù)激光熔覆技術(shù)特性，依靠經(jīng)驗對不同材料進(jìn)行相應(yīng)處理。今后發(fā)展中還應(yīng)注重對熔覆層與基體之間作用機制的深入分析，結(jié)合具體情況對技術(shù)應(yīng)用的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，改變?nèi)鄹矊游⒂^結(jié)構(gòu)，同時也要對各種輔助手段進(jìn)行探索研究，根據(jù)該技術(shù)的應(yīng)用需求進(jìn)行多種控制措施和輔助技術(shù)的合理選用，從多方面入手實現(xiàn)對熔覆層裂紋的有效控制，降低這類缺陷的發(fā)生率，以此推動激光熔覆技術(shù)在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。