史泰岡， 高 丹

(上海工程技術(shù)大學資產(chǎn)管理及保障處，上海201260)

0 引言

激光熔覆可以在低成本鋼板上制成高性能表面，代替大量的高級合金，節(jié)約貴重、稀有的金屬材料［1-3］;提高材料的綜合性能，降低能源消耗，適用于局部易磨損、沖擊、氧化及腐蝕等零部件［4］。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點，因此激光熔覆技術(shù)應用前景十分廣闊［5］。目前，鐵基系列合金的激光熔覆技術(shù)已相對成熟，應用也較為廣泛，與鎳基、鈷基合金、陶瓷材料等相比，鐵基系列合金不僅可以緩解在技術(shù)成本上的壓力，而且在某些方面具有與鎳基、鈷基合金、陶瓷材料等同樣優(yōu)越的處理性能，應用前景看好［6］。但前期的研究表明［7-11］，工藝參數(shù)對激光熔覆涂層質(zhì)量的影響十分關(guān)鍵，工藝參數(shù)選擇不當會導致熔覆層產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾雜、組織、硬度不均等問題。本文對Fe基合金粉末的激光熔覆的表面質(zhì)量、硬度試驗、組織分析進行研究，找出影響上述三方面的主要影響因素及其顯著程度，優(yōu)化出最佳的工藝參數(shù)。

1 試驗材料與方法

激光熔覆試驗系統(tǒng)主要包括激光器、送粉器和送粉槍，采用的是側(cè)向送粉。本試驗所用激光器為HL-2000型CO2激光器，最大輸出功率為4 kW。試驗所用送粉器為北京航空制造工程研究所生產(chǎn)的DPSF-2B型雙筒送粉器。試驗中采用的基材是正火態(tài)低碳低合金鋼CCS-B，組織為珠光體+鐵素體，其組織如圖1所示，硬度為180～250 HV，化學成分(質(zhì)量百分數(shù))如表1所示。母材試板的幾何尺寸為130 mm×90 mm×8 mm。為了保證試板表面的干凈度和粗糙度，對試板進行銑削加工，刨掉試板表面約0.5 mm的材料;用砂紙打磨，獲得較為平滑的試板表面;再用丙酮擦洗去除油污，自然風干后待用。試驗用合金粉末采用的成分(質(zhì)量百分數(shù))如表2所示，使用前在熱處理爐中干燥0.5 h(200℃)。

圖1 基材的顯微組織

表1 Fe基合金粉末的化學成分 %

表2 CCS-B鋼的化學成分%

2 實驗結(jié)果與分析

對于同步側(cè)向送粉的激光熔覆過程而言，其主要參數(shù)有激光功率P、熔覆掃描速度v、離焦量D、送粉量F、送粉氣流量L、送粉束與激光束相對位置等，其中送粉束與激光束相對位置又包括了如下參數(shù):送粉束與激光束前后相對位置;送粉束與激光束之間的距離;送粉束與水平位置之間的角度。要獲得良好成形的熔覆層，需對這幾組參數(shù)進行實驗。

2.1 激光功率對熔覆成形的影響

本文在D=69 mm、F=17.4 g/min、L=5 L/min 情況下，研究了不同激光功率對激光熔覆成形的影響。送粉束與激光束相對位置固定為:兩者在基體表面交點的距離為1.5 mm，其中送粉束在前、激光束在后;②送粉束與水平位置夾角為40°。試驗參數(shù)如表3所示，對應的熔覆涂層宏觀成形如圖2所示。

圖2(a)中1#熔覆層成形較好，表面有剝落的黑色氧化皮，這可能是由于熔覆后熔覆層余熱導致最外層氧化所造成的。另外，熔覆層前半部寬度大于后半部，這可能是由于送粉噴嘴溫度上升，黏結(jié)粉末導致送粉量減少所造成的，故有必要加強對噴嘴的散熱［12］。圖2(b)中2#熔覆層成形較好，但氧化比較嚴重，須加強對激光熔池的保護。前半部分成形較好，后半部分成形不規(guī)則，并伴有較嚴重氧化?？赡苁且驗樗头鬯俣冗^快，導致熔覆不充分。圖2(c)中3#熔覆層成形一般，有塌陷，這是由于噴嘴口很細，粉末接觸噴嘴，一定時間后與噴嘴黏住，堵塞噴嘴導致送粉不暢。圖2(d)中的4#熔覆層成形尚可，但熔覆層寬度較小，這是由于激光功率偏小，單位時間內(nèi)熔化合金粉末的數(shù)量減少造成的。圖2(e)中5#熔覆層前半部分成形較好，后半部分成形較差，有疏松組織，這可能是由于激光功率達到7 kW時，熱輸入過大，粉末燒損嚴重，形成大量的氧化物，留在熔覆層中形成疏松組織。因此在本實驗中2#熔覆層。綜上，在6 kW，1.5 m/min時，熔覆層成形較好。

表3 激光熔覆工藝參數(shù)

圖2 不同激光功率下熔覆層宏觀成形

2.2 掃描速度對熔覆成形的影響

本組試驗在 D=69 mm、F=17.4 g/min、L=5 L/min情況下，研究不同掃描速度對激光熔覆成形的影響。送粉束與激光束相對位置固定為:①兩者在基體表面交點的距離為1.5 mm，其中送粉束在前、激光束在后;②送粉束與水平位置夾角為40°。試驗參數(shù)如表4所示，對應的熔覆涂層宏觀成形如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當掃描速度越大，激光熔覆成形寬度越窄，外形越不規(guī)則，熔覆層發(fā)生了斷續(xù)的情況。這是因為掃描速度過快的情況下，粉末相對熔化量減少，發(fā)生表面塌陷。另外，由于單位時間內(nèi)熱輸入較小，合金粉末不能充分熔化，易被氣流吹走，減少了熔覆層實際厚度，導致熔覆過程不充分。綜上，送粉束在前，激光束在后時，在v=1.2～1.4 m/min時的激光熔覆層成形較好。

表4 激光熔覆工藝參數(shù)(送粉束在前、激光束在后)

圖3 不同掃描速度下熔覆層宏觀成形

調(diào)整送粉束與激光束相對位置后，對不同掃描速度下熔覆層宏觀成形也進行了試驗研究。本組試驗在D=69 mm、F=17.4 g/min、L=5 L/min 情況下，研究不同掃描速度對激光熔覆成形的影響。送粉束與激光束相對位置固定為:①兩者在基體表面交點的距離為1.5 mm，其中送粉束在后，激光束在前;②送粉束與水平位置夾角為40°。試驗參數(shù)如表5所示，對應的熔覆涂層宏觀成形如圖4所示。本實驗是激光束在前，送粉束在后的激光熔覆實驗。首先，相對于激光束在后的實驗方法和較快的掃描速度，激光熔覆層相對較規(guī)則，沒有黑色氧化皮剝落。1#與2#熔覆層較連續(xù)，未出現(xiàn)大量的孔洞，成形較好;3#～5#熔覆層前半段出現(xiàn)了較多孔洞，后半段成形較好，原因可能在于隨著掃描速度加快，前半段熔覆層由于基體溫度低，不能充分熔化，多余粉末顆粒被吹走，形成孔洞，后半段由于基體溫度上升，熔化粉末數(shù)量上升，熔覆層連續(xù)且寬度增加;綜上，送粉束在后、激光束在前時，P=7 kW，v=0.5～0.6 m/min時的激光熔覆成形較好。

表5 激光熔覆工藝參數(shù)(送粉束在后、激光束在前)

圖4 不同掃描速度下熔覆層宏觀成形

2.3 熔覆層顯微組織

P=7 kW，v=0.5 m/min時激光熔覆層顯微組織如圖5所示?？梢?，熔覆層與基體在結(jié)合界面呈現(xiàn)出良好的冶金結(jié)合，如圖5(a)所示。熔覆層不同區(qū)域具有不同的組織特征，如圖5(b)所示。由于激光熔覆具有較快的冷卻速度和基體良好的導熱能力，故界面的溫度梯度(G)很高，同時凝固的瞬間結(jié)晶速度(V)非常小，即G/V很高，界面呈現(xiàn)平面狀結(jié)晶的形式向表面生長［13］，即在基體表面上熔覆層發(fā)生了外延生長，形成了很薄的一層平面晶，厚度在10μm以內(nèi)。由界面處可以看出，由于激光加工中的熱傳導導致涂層界面以下的小部分基體被少量熔化。本試驗中，基體對熔覆層合金的稀釋很少。白亮層向上，由于冷卻速度的降低、結(jié)晶速度的加快及界面擾動的出現(xiàn)，熔覆層的晶粒生長轉(zhuǎn)為胞狀晶，胞狀晶區(qū)的生長方向主要受熱流的控制，為熱流的反方向，因熔池底部熱流方向垂直于固液界面，故其生長方向亦垂直于界面，為熱流的反方向［14］。涂層界面結(jié)合處復層結(jié)構(gòu)的形成意味著激光熔覆時凝固行為的復雜性，它不僅受控于涂層材料和基材的熔化與傳質(zhì)特征，而且與其晶體學特征有很大關(guān)系。當熔融的涂層材料通過熱傳導使基體表面發(fā)生微熔時，由于基體金屬晶界結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性將引起其實際熔點在微觀上發(fā)生變化，結(jié)果導致液/固界面在微觀尺度上發(fā)生不均勻漲落起伏，使熔化的邊緣晶粒處于半熔化狀態(tài)。在隨后的凝固過程中，這些半熔化晶粒將成為新晶粒生長的核心［15］。由于在同一基質(zhì)晶粒上有眾多形核的有利位置，因而具有很大的形核速率，并沿著最大散熱方向以柱狀晶形式向熔池內(nèi)部延伸長大。在柱狀晶生長過程中，由于合金熔體對流擾動作用的增強及稀釋程度的降低，將抑制柱狀晶的生長。再向上，熔覆層組織轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲В渲饕怯捎谄矫婢Щ虬麪罹У那把?，溶質(zhì)的富集而出現(xiàn)成分過冷，導致了樹枝晶的生長。

圖5 P=7 kW，v=0.5 m/min時熔覆層顯微組織

3 結(jié)論

本文在D=69 mm、F=17.4 g/min、L=5 L/min 情況下，研究了激光功率、掃描速度、激光束與送粉束相對位置等對激光熔覆成形的影響。結(jié)果表明:

(1)送粉束在前、激光束在后，激光功率為6 kW，掃描速度為1.5 m/min時的熔覆層成形較好;

(2)送粉束在前、激光束在后，激光功率為7 kW，掃描速度為1.2～1.4 m/min時的激光熔覆層成形較好;

(3)送粉束在后、激光束在前，激光功率為7 kW，在掃描速度為0.5～0.6 m/min時的激光熔覆成形較好;

(4)熔覆層的組織形態(tài)主要有平面層、胞狀晶和樹枝晶。

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