增材制造316L熔覆層表面成形質(zhì)量實(shí)驗(yàn)研究

陶 林，劉文博，溫雪龍，郭思含

（1.沈陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 撫順 113122；2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

1 引言

近年來(lái)增材制造技術(shù)被大眾關(guān)注，隨著大功率激光器的研發(fā)成功，激光熔覆技術(shù)得到新的發(fā)展機(jī)遇［1］，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們針對(duì)這一技術(shù)展開(kāi)了大量研究。文獻(xiàn)［2］研究了5級(jí)鈦合金Ti6Al4V的激光熔覆工藝，分析不同掃描速度下熔覆層硬度和耐腐蝕性，結(jié)果表明掃描速度為1.5m∕min時(shí)，獲得了最佳的熔覆層，即在保持較高質(zhì)量的同時(shí)效率最高。文獻(xiàn)［3］研究了激光掃描速度對(duì)Ti6Al4V熔覆層質(zhì)量和硬度的影響，結(jié)果表明隨著掃描速度的增加，熔覆層的高度、寬度和孔隙率普遍降低，熔覆層的硬度增加。文獻(xiàn)［4］采用矩形點(diǎn)狀激光熔覆法制備了WC增強(qiáng)鐵基非晶復(fù)合涂層，通過(guò)分析熔覆涂層和重熔涂層的微觀結(jié)構(gòu)，探究了激光重熔對(duì)復(fù)合鍍層組織和性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明激光重熔可以減少熔覆層的裂紋和氣孔，提高熔覆層的表面質(zhì)量。文獻(xiàn)［5］研究了鍍鎳WC-12Co粉末對(duì)鍍層組織和顯微硬度的影響，結(jié)果表明采用鎳包覆WC-12Co粉體可以顯著降低孔隙率，獲得高質(zhì)量的熔覆層。文獻(xiàn)［6］研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同尺寸的SiC對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響，得到結(jié)果表明添加10%的SiC 可以大幅度地提高316L熔覆層的硬度，減少磨損量，獲得了優(yōu)良的抗磨損性能。文獻(xiàn)［7］在BT20鈦合金熔覆過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用超聲技術(shù)加以輔助可以提高熔覆層的表面平整性，并且使其組織均勻，晶粒細(xì)小，有效地減少了組織內(nèi)部的缺陷。

雖然學(xué)者們針對(duì)激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)熔覆層硬度、孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)等因素的影響做了諸多研究，但是熔覆層表面成形質(zhì)量影響因素及其影響規(guī)律還未見(jiàn)系統(tǒng)研究。通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)研究不同激光熔覆工藝參數(shù)、搭接率、每層提升量、掃描路徑對(duì)316L熔覆層表面形貌和成型質(zhì)量的影響及其影響規(guī)律，研究結(jié)果可為提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化工藝流程、提高零件性能、精度、質(zhì)量提供理論依據(jù)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 激光熔覆工藝實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)設(shè)備

所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備為激光熔覆制造系統(tǒng)，如圖1所示。設(shè)備由激光頭，數(shù)控加工系統(tǒng)，送粉器、冷卻系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制軟件組成。其中，激光器采用YLS-6000光纖激光器，最大輸出功率為6000W。送粉器為RD-PGF-D-3型三筒送粉器，載氣流流量（1.3～10）L∕min，送粉粒度（50～150）μm，粉末輸送量（2.3～75）g∕min。本實(shí)驗(yàn)利用VHX-1000E超景深顯微鏡，觀測(cè)工件的表面形貌，如圖2所示。其低倍鏡最大可放大200倍，高倍最大可放大5000倍。

圖1 激光熔覆制造系統(tǒng)Fig.1 Laser Cladding Manufacturing System

圖2 超景深顯微鏡Fig.2 Super Depth of Field Microscope

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用三因素五水平正交實(shí)驗(yàn)，分析熔覆層的深度、寬度、高度、稀釋率隨激光功率、掃描速度、送粉速率的變化規(guī)律，研究了激光功率、掃描速度、送粉速率工藝參數(shù)對(duì)表面成形質(zhì)量的影響及影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experiment Parameter

不同影響因素（搭接率、每層提升量、掃描路徑）對(duì)熔覆層及試件成形質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn)研究，選用激光工藝參數(shù)為P=2400W，v=8mm∕s，vf=0.8r∕min，激光熔覆加工長(zhǎng)度為30mm，熔覆層數(shù)分別為單層和20層。

實(shí)驗(yàn)用熔覆粉末選擇316L不銹鋼粉末，尺寸為（100～150）μm，316L不銹鋼粉末在SEM顯微鏡下的微觀形貌，如圖3所示。

圖3 316L粉末的微觀形貌Fig.3 Micro Morphology of 316L Powder

3 激光熔覆工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

單道熔覆線的截面示意圖，如圖4所示。由熔覆層和熔池兩部分組成。

圖4 熔覆線的截面圖Fig.4 Cross Section of Cladding Line

稀釋率是評(píng)價(jià)熔覆線質(zhì)量的性能指標(biāo)，它是衡量熔覆層與基材結(jié)合質(zhì)量好壞的重要參數(shù)。稀釋率可以用基體被熔化的部分在熔覆層的合金中所占的比例η表示，稀釋率計(jì)算公式如下［8］：

3.1 激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響

3.1.1 激光功率對(duì)熔覆線質(zhì)量的影響

激光功率的變化對(duì)熔覆線寬度、高度、熔池深度的影響，如圖5所示。由圖5可知，隨著激光功率的增大，熔覆線寬度、熔深均不斷增大，熔覆線高度先增大后減小，這是由于隨著激光功率的增大，合金粉末和基體材料大量吸收激光能量后融化更充分，導(dǎo)致熔池的深度、熔覆線的寬度和高度均增大，當(dāng)激光功率增大到2400W時(shí)，過(guò)大的激光功率導(dǎo)致熔池的流動(dòng)性增強(qiáng)，熱影響范圍擴(kuò)大，使得熔覆線的寬度、深度更大，熔覆線高度開(kāi)始減小。

圖5 激光功率對(duì)熔覆線尺寸的影響Fig.5 Effect of Laser Power on the Size of Cladding Line

激光功率的變化對(duì)稀釋率的影響，如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)激光功率從1800W增大到2000W時(shí)，稀釋率從71.7%減小到69.48%，當(dāng)激光功率從2000W 增大到2600W 時(shí)，稀釋率從69.48%增大到74.2%。這是由于當(dāng)激光功率在（1800～2000）W時(shí)，材料粉末吸收能量增多，融化更充分，導(dǎo)致稀釋率下降；當(dāng)激光功率繼續(xù)增大，基體材料融化加劇，導(dǎo)致稀釋率不斷提高。

圖6 激光功率對(duì)稀釋率的影響Fig.6 Effect of Laser Power on Dilution Rate

3.1.2 掃描速度對(duì)熔覆線質(zhì)量的影響

熔覆線寬度、高度、熔深隨掃描速度變化曲線，如圖7所示。

圖7 掃描速度對(duì)熔覆線尺寸的影響Fig.7 Effect of Scanning Speed on the Size of Cladding Line

由圖可知，隨著掃描速度的增大，熔覆線的寬度、高度、熔深均不斷減小，這是由于當(dāng)掃描速度增大，合金粉末和基體材料受到激光輻照的時(shí)間變短，吸收能量變少，導(dǎo)致合金粉末和基體材料融化程度減弱，熔池的高度、寬度和深度都減小。

掃描速度對(duì)稀釋率的影響情況，如圖8所示。從圖8可以看出，隨著掃描速度的增大，稀釋率總體變化趨勢(shì)是增大的，這是由于當(dāng)掃描速度增大，合金粉末吸收能量減少，融化不充分，導(dǎo)致稀釋率整體呈增大的趨勢(shì)；但在掃描速度由6mm∕s增大到8mm∕s過(guò)程中，稀釋率降低，因?yàn)樵谶@一掃描速度下，熔深和熔覆線寬度明顯減小，說(shuō)明基體材料的融化程度開(kāi)始減弱，從而使稀釋率減小。

圖8 掃描速度對(duì)稀釋率的影響Fig.8 Effect of Scanning Speed on Dilution Rate

不同掃描速度下熔覆線的表面形貌，如圖9所示。從圖中可以看出，當(dāng)掃描速度為20mm∕s時(shí)，熔覆層兩端與中間的寬度相差明顯，且高度僅有0.116mm，質(zhì)量較差，不利于后續(xù)成形。而當(dāng)掃描速度為4mm∕s時(shí)，不僅會(huì)導(dǎo)致熔覆效率降低，熔覆線的形貌也不均勻。這是由于當(dāng)掃描速度過(guò)大時(shí)，作用于基體材料與熔覆合金粉末上的激光束的輻照時(shí)間過(guò)短，合金粉末吸收的熱量過(guò)低而造成熔化不充分，導(dǎo)致熔覆線高極低，嚴(yán)重影響成形的質(zhì)量；而當(dāng)掃描速度過(guò)小時(shí)，合金粉末和基體材料吸收激光能量過(guò)高，導(dǎo)致熔池內(nèi)液體冷卻速度緩慢，形成的熔覆層中晶體數(shù)量較少，體積較大，導(dǎo)致表面形貌不均勻。

圖9 不同掃描速度下熔覆線的表面形貌Fig.9 Surface Morphology of Cladding Line at Different Scanning Speeds

3.1.3 送粉速率對(duì)熔覆線質(zhì)量的影響

送粉速率對(duì)熔覆線寬度、高度、熔深的影響情況，如圖10所示。由圖10可知，隨著送粉速率的增大，熔覆線的寬度減小，高度增大，熔深先增大后減小，這是由于在送粉率為（0.6～0.7）r∕min時(shí)，進(jìn)入熔池的合金粉末增多，有利于形成更深的熔池，從而熔覆線高度增大，熔深增大，寬度幾乎不變；當(dāng)送粉速率繼續(xù)增大時(shí)，進(jìn)入熔池的粉末量過(guò)大，粉末不能完全融化，導(dǎo)致基體材料吸收的激光能量減少，使得熔覆線寬度開(kāi)始減小、熔深減小，熔覆線高度幾乎沒(méi)有變化，維持在約0.5mm。

圖10 送粉速率對(duì)熔覆線尺寸的影響Fig.10 Effect of Powder Feeding on the Size of Cladding

送粉速率對(duì)稀釋率的影響情況，如圖11所示。從圖中可以看出隨著送粉速率的增大，稀釋率從74.94%減小至67.76%。這是由于當(dāng)送粉速率提高，進(jìn)入熔池的合金粉末增多，導(dǎo)致熔覆層的高度增加，基體材料融化程度減弱，熔池的深度減小，從而使基體對(duì)熔覆層的稀釋作用減弱，稀釋率降低。

圖11 送粉速率對(duì)稀釋率的影響Fig.11 Effect of Feeding Rate on Dilution Rate

當(dāng)送粉速率為0.2r∕min時(shí)的熔覆線表面形貌，如圖12所示。當(dāng)送粉速率過(guò)小，單位時(shí)間輸送的粉末過(guò)少，導(dǎo)致熔覆線的高度僅有0.084mm，且因?yàn)榉勰┪盏臒崃可伲瑢?dǎo)致基體吸收熱量過(guò)多而導(dǎo)致熔覆線尾端出現(xiàn)明顯的凹坑。

圖12 熔覆線形貌（vf=0.2r∕min）Fig.12 Morphology of Cladding Line（vf=0.2r∕min）

3.2 搭接率對(duì)熔覆層形貌及質(zhì)量的影響

橫向搭接率是衡量熔覆層搭接質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是影響零件的成形質(zhì)量的重要因素。定義搭接率公式為：

式中：x—相鄰兩道熔覆線中心距；W—第一道熔覆線寬度。

衡量搭接率的指標(biāo)選用表面平整度，即熔覆層表面的凸起與下凹之間的差值，如圖13所示。

圖13 表面平整度s的示意圖Fig.13 Schematic Diagram of Surface Smoothness

相同激光工藝參數(shù)下不同搭接率的熔覆層表面形貌，如圖14所示。可以看出搭接率過(guò)大時(shí)，重熔區(qū)域面積大于空隙區(qū)域，熔覆線表面出現(xiàn)山丘狀表面；搭接率過(guò)小時(shí)，重熔區(qū)域面積小于空隙區(qū)域，此時(shí)兩條熔覆線之間出現(xiàn)凹陷。

圖14 不同搭接率熔覆層形貌Fig.14 Morphology of Cladding Layer with Different Lap Ratio

利用超景深顯微鏡對(duì)不同的搭接率下熔覆層平整度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果，如表2所示。可以看出，當(dāng)搭接率太大或太小時(shí)，熔覆層平整度都比較大，當(dāng)搭接率為45%時(shí)，熔覆層的平整度最小，這是因?yàn)榇藭r(shí)處于理想搭接率，重熔區(qū)域的液態(tài)金屬剛好可以填補(bǔ)空隙，此時(shí)熔覆層的高度均勻，搭接區(qū)域表面平整。

表2 搭接率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental Results of Lap Ratio

3.3 每層提升量對(duì)成形質(zhì)量的影響

z軸的提升量Δz也是實(shí)現(xiàn)零件高質(zhì)量成形的關(guān)鍵因素之一。嚴(yán)格地說(shuō)，Δz的值必須等于單層熔覆層高度，以保證激光焦點(diǎn)始終在熔覆層表面上。但是，在實(shí)際成形過(guò)程中，因?yàn)榧す夤β屎退头哿康牟▌?dòng)及熱積累等因素會(huì)導(dǎo)致每層熔覆的高度都有一些偏差，使得Δz的值大于單層熔覆層的高度，而且隨著堆積層數(shù)的累積和高度的增加，這種偏差會(huì)逐漸增大，導(dǎo)致離焦量產(chǎn)生并不斷增大，進(jìn)而對(duì)成形件的高度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至導(dǎo)致堆積無(wú)法進(jìn)行和零件的塌陷現(xiàn)象［9-10］。激光與粉末相互作用示意圖，如圖15所示。

圖15 激光與粉末相互作用示意圖Fig.15 Schematic Diagram of Interaction Between Laser and Powder

圖15解釋了離焦量對(duì)試件成形質(zhì)量的影響，設(shè)激光與粉末在A點(diǎn)匯聚。當(dāng)工件的平面在L1位置時(shí)為負(fù)離焦量，離焦量為d1；當(dāng)工件的平面在L2位置時(shí)為正離焦量，離焦量為d2。無(wú)論離焦量是正還是負(fù)，都會(huì)導(dǎo)致離焦量的絕對(duì)值增加，不僅會(huì)使進(jìn)入熔池的粉末減少，而且會(huì)導(dǎo)致激光的光斑半徑增加，激光能量密度減小，這兩種情況都會(huì)使單層熔覆層高度減小。

實(shí)驗(yàn)選取z軸抬升量Δz分別為0.5H1，1H1，1.5H1（H1為單層熔覆層高度），得到成形試件高度分別為4.28mm，4.67mm，4.37mm，如圖16所示。由圖16（b）可以看到z軸抬升量大于或小于單層熔覆層高度時(shí)，得到的成形試件高度均不理想。當(dāng)z軸抬升量與單層高度相同時(shí)，得到的成形試件高度最高，符合零件的成形質(zhì)量及效率的要求。

圖16 不同提升量ΔZ的成形試件Fig.16 Specimens with Different Z-Axis Increment

3.4 掃描路徑對(duì)多層熔覆層成形質(zhì)量影響

實(shí)驗(yàn)選用的兩種縱向掃描路徑，如圖17所示。其中圖17（a）為間斷掃描方式，激光器完成前一層后，以8mm∕s的速度回到起始點(diǎn)一側(cè)；圖17（b）所示路徑為連續(xù)往返掃描方式，即激光器完成前一層后，立刻從末端繼續(xù)掃描。

圖17 兩種多層掃描路徑Fig.17 Two Multi-Layer Scanning Path

兩種方式成形效果，如圖18所示。采用方式圖18（a）的成形件兩端存在明顯的差異，試件一端結(jié)構(gòu)較為完整，另一端塌陷嚴(yán)重；采用方式圖18（b）的成形件兩端高度一致，沒(méi)有明顯的高度差。

圖18 不同掃描路徑的多層成形件Fig.18 Multi-Layer Forming Parts With Different Scanning Path

由圖18中可以看出，采用兩種不同的掃描路徑得到的成形件表面質(zhì)量差異很大，這是因?yàn)閳D18（a）種掃描方式的終點(diǎn)位置始終比起始位置的溫度高，隨著堆積層數(shù)的增加，終點(diǎn)位置的溫度積累十分嚴(yán)重，導(dǎo)致之前成形的熔覆層熔化，出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，且兩端尺寸差距較大，隨著熔覆層的不斷積累，這種塌陷現(xiàn)象將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，兩端差距也將越來(lái)越大。而圖18（b）種掃描方式兩端溫度均勻，所以試件兩端高度一致，沒(méi)有明顯的高度差。不同路徑得到的試件成形高度和兩端高度，如表3所示。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出（b）種路徑更理想，成形的質(zhì)量及效率更高。

表3 掃描路徑對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響Tab.3 Effect of Scanning Path on Quality of Cladding Layer

4 結(jié)論

針對(duì)316L進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)，分析熔覆層的寬度、高度、熔深、稀釋率隨掃描速度、激光功率、送粉速率的變化規(guī)律，研究搭接率、每層提升量、掃描路徑對(duì)熔覆線表面成形質(zhì)量的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）隨著激光功率增大，熔覆線寬度、高度、熔深增大，稀釋率先減小后增大，較大的激光功率下試件成形質(zhì)量高，但超過(guò)2400W的激光會(huì)導(dǎo)致熔覆線高度減小、稀釋率增大，試件成形質(zhì)量變差；隨著掃描速度增大，熔覆線寬度、高度、熔深均減小，稀釋率總體的變化趨勢(shì)是增大，試件成形質(zhì)量較差；隨著送粉速率增大，熔覆線寬度、稀釋率均減小，高度增大，熔深先增大后減小，試件成形質(zhì)量較差。

（2）采用不同搭接率得到熔覆層表面的平整度差異很大，在搭接率為45%時(shí)，熔覆層的表面平整度最好。

（3）當(dāng)z軸每層提升量與單層熔覆層高度相等時(shí)成形件的形狀均勻，高度最高，成形效率高。

（4）采用往返路徑掃描方式得到的成形件表面形狀好，成形質(zhì)量高，可以避免間斷路徑掃描方式帶來(lái)的終點(diǎn)位置溫度累積的問(wèn)題，避免試件的塌陷現(xiàn)象。