杨新意，程延海

（1.中国矿业大学 徐海学院，江苏 徐州 221000；2.中国矿业大学 机电学院，江苏 徐州 221000）

0 引言

激光熔覆技术是指利用高能量的激光束在基体表面熔覆涂层以提高其表面性能的一种技术，具有热影响区小、结合强度高及熔覆层表面质量高等优点，近年来得到了快速的发展。苏州大学的王宇[1]通过光内送粉的激光熔覆方法，研究了弧面扭曲结构件激光熔覆成形的路径规划问题，得到了尺寸精度较高、表面质量较好的熔覆层；宁夏大学的雍耀维[2]通过激光熔覆技术在铜合金表面熔覆了一层添加了WC和ZrO2的镍基合金粉末涂层，研究了熔覆层的微观组织、物象组成、硬度及其耐磨性，发现熔覆层的性能远高于基体；长安大学的樊帅奇[3]采用激光熔覆技术在45钢表面制备了Ni60/WC涂层，通过改变粉末中WC的含量发现了WC的含量会影响熔覆层的硬度等性能。激光熔覆过程是一个熔覆粉末快速熔化和凝固的过程，激光按照预先设定的路径快速移动，在激光照射期间，激光照射部分的粉末和表面基体快速熔化形成熔池，激光移动过后，熔池与外界环境快速发生热传递，使得熔池快速凝固形成熔覆层，从这个熔覆层形成的过程中不难看出，在激光熔覆过程中热输入扮演着重要角色，热输入越多，熔池中心的温度越高，冷却需要的时间越长，进而影响熔覆层的金相组织生长过程，进一步影响熔覆层的性能。激光能量密度是指在激光熔覆过程中单位面积的热输入量，激光能量密度的大小会影响熔池的温度以及冷却速度，进而影响到熔覆层的微观结构、表面质量和物理力学性能[4]。另外，不同的激光能量密度对应不同的温度场分布，不同的温度场分布对应的凝固过程也有差异，这最终也会影响到熔覆层的成形[5]。激光熔覆通常是一个单层多道或者多层多道的过程，熔覆过程中温度场和应力场相互叠加，不同的熔覆路径下其温度场和应力场叠加的过程各不相同，合理地选择熔覆路径可以得到更好的熔覆层成形效果。然而，目前针对影响激光熔覆成形性因素的研究大都集中于熔覆材料的研究上，缺乏对激光能量密度方面的研究，针对熔覆路径对熔覆成形性影响的研究更是少之又少，这对激光熔覆成形的研究发展是有很大局限性的。因此，本文系统地研究了激光能量密度及熔覆路径对熔覆层成形性的影响，建立了激光能量密度、熔覆路径、熔覆层成形性三者之间的关系链，获得了特定材料下激光熔覆成形的最佳激光能量密度和熔覆路径。

1 实验过程与方法

1.1 激光熔覆实验材料

如表1所示为Fe基合金粉末的化学成分。

表1 Fe-Cr-B合金粉末组成成分质量分数%

表2为Q345钢的化学成分组成，应用线切割技术将Q345钢切割为70 mm×60 mm×20 mm的试块以备熔覆实验使用。

表2 Q345钢组成成分质量分数%

激光熔覆成形在实际应用中，往往是以单层多道或者多层多道进行熔覆，在这一过程中，第一层的成形性通常至关重要，第一层熔覆层的成形性如果不好，那么后续熔覆层的表面质量很难达到预期目标，因此本文在研究激光熔覆成形性时，采用单层多道熔覆，重点研究第一层熔覆层的成形性。图1所示为激光熔覆设备，激光熔覆送粉采用同步送粉的方法，在基体的表面熔覆上一层面积为40 mm×20 mm的Fe-Cr-B合金熔覆层，激光功率为1.8 kW，搭接率为50%，送粉速度为1.8 r/min，光斑直径为3 mm。

图1 激光熔覆设备图

图2 熔覆路径图

1.2 表面宏观裂纹测试

着色探伤是最常用的裂纹统计方法，在进行着色探伤之前要对待测试样表面进行简单的清洁处理，保证待测试样表面没有粉末、锈蚀、油渍等其它影响着色探伤的外界因素，随后再用着色探伤剂进行裂纹探伤。着色探伤剂包括3种不同的试剂，首先，清洗剂负责清洗试样表面，清洗后的试样放在事先准备好的桌子上自然风干；然后，渗透剂负责对试样表面的裂纹进行渗透，将渗透剂均匀地喷涂在风干后的试样表面并静置10 min左右，使其充分地渗透试样的表面；然后，再用清洗剂清洗掉试样表面的渗透剂，并用纸巾将试样表面擦干；最后，将显像剂均匀地喷涂在擦拭干净后的表面，喷涂时注意喷口与试样表面之间的距离为250 mm左右，静置5 min左右后，显像剂将会把残留在裂纹中的渗透剂通过毛细作用吸出来，使裂纹清晰地显示出来，此时便可以统计表面的裂纹缺陷信息。另外，为了确保测量的准确性，也可对试样重复上述操作数次，确保实验结果的准确性。

2 实验结果与分析

2.1 熔覆层宏观形貌分析

激光熔覆层宏观形貌在工业生产中至关重要，熔覆层宏观形貌越好，表面越平整，则需要的后续加工环节越少，生产效率越高，生产成本越低。相反，如果激光熔覆表面宏观形貌比较差，表面存在大量缺陷，轻则造成生产效率低、生产成本高等弊端，严重时则有可能使得激光熔覆生产件直接报废，这极大地制约了激光熔覆成形的发展。影响熔覆层宏观形貌的因素有很多，激光熔覆工艺参数、外界环境、熔覆材料等因素都会影响熔覆层最终的宏观形貌，其中激光熔覆温度场和应力场的分布对熔覆层宏观形貌影响巨大。激光熔覆的温度场是一个温度场反复叠加后的结果，因此，在熔覆过程中，激光熔覆工艺参数及熔覆路径都会对激光熔覆温度场的形成产生重要影响，激光能量密度概念的提出很好地将各工艺参数综合在一起。图3所示为熔覆层的宏观形貌图，试样1、试样2及试样3采用的“弓”字形熔覆路径，这种熔覆路径由于其效率高、无需回程的优点而被工业生产中广泛采用。试样1的熔覆层厚度最大，并且有明显的元素烧损现象，这是因为试样1的扫描速度最慢、激光能量密度最大、熔池的温度也最高导致的。试样3的熔覆层厚度最小，且熔覆层表面明显有大量未熔化的粉末，这是因为激光扫描速度较快、激光能量密度最小，导致粉末熔化不充分[6]。与试样1和试样3相比，试样2的宏观形貌是最好的，说明采用“路径1”时该激光能量密度最为适宜。试样4、试样5及试样6采用“回”字形熔覆路径，其余工艺参数均与试样1、试样2及试样3完全相同。由图3可知，试样4的熔覆层厚度最厚，试样6的熔覆层厚度最薄，这是由于激光扫描速度不同造成的，激光扫描速度越快，熔覆层厚度越薄。与试样1相比，试样4没有明显的元素烧损现象，这说明“回”字形路径对应的温度场更合理，可以避免元素烧损现象的产生。另外，试样4、试样5及试样6左下角明显有一道凸起的斜线，这主要是由于激光熔覆过程中存在端部效应，而“回”字形熔覆路径每一圈的起点和终点都在左下角，端部效应在此处累积，最终连成一条斜线。综上所述，相同的激光能量密度下，与“路径1”相比，采用“路径2”熔覆生成的熔覆层温度场分布更加合理，熔覆质量更高。

图3 熔覆层宏观形貌图

2.2 激光熔覆表面探伤结果

裂纹问题一直是激光熔覆领域亟待解决的一个难题，裂纹的存在不仅会影响到产品的表面质量，而且会影响到产品的使用寿命。激光熔覆裂纹的产生主要是由于熔覆层中的应力水平高于材料的屈服强度，此时便容易在熔覆层表面产生裂纹，这些裂纹的存在会大大降低熔覆层的综合性能[7]。图4展示了着色探伤后试样的表面形貌，白色的为显像剂，6个试样表面均无裂纹产生。这主要因为一方面实验参数选择合适，热输入恰当，使得熔覆过程中的温度场分布均匀、温度梯度小，众所周知，应力场的分布很大程度上取决于温度场的分布，均匀合理的温度场分布导致熔覆层中的应力水平比较低，不容易引起裂纹；另外一方面，由于熔覆粉末中含有Si、Ni、Cr等元素，使得熔覆层材料的韧性、强度等性能大大提高，抵抗裂纹产生的能力增强，不容易出现裂纹。

图4 着色探伤图

3 结语

通过在Q345钢基体表面熔覆一层Fe-Cr-B合金粉末熔覆层，本文研究了熔覆层表面的宏观形貌和裂纹敏感性，通过改变激光能量密度和熔覆路径建立了激光能量密度、熔覆层宏观形貌、裂纹敏感性三者之间的联系。结果表明，激光能量密度和激光熔覆路径会影响熔覆层的成形性，在特定材料下，采用“回”字形熔覆路径，激光能量密度为40 J/mm2时，熔覆层表面没有裂纹，成形性最好。该研究对Fe-Cr-B合金粉末的激光熔覆成形具有重要意义。