激光熔覆工艺参数对裂纹形成的影响

激光熔覆工艺参数对裂纹形成的影响

1激光熔覆技术过程中裂纹的形成机理由于激光涂层擅长抗侵蚀性，避免氧化和疲劳，是表面改造研究的热点。激光熔覆是一个复杂的物理、化学和冶金过程,是一种对裂纹很敏感的工艺[1～3]。裂纹现象和行为牵涉到激光熔覆的几乎每一个因素,深入研究激光熔覆工艺特性、裂纹行为和形成机理对于该技术在工业中的应用具有实际指导意义。本文试图通过对激光熔覆工艺的定量化研究,确定影响裂纹形成的主要因素,并有效地控制和消除激光熔覆层的裂纹和气孔等缺陷保证激光熔覆工艺质量。2试样制备和投料试验选择45钢和2Cr13钢作为基材,试样材质的状态参数如表1所示涂敷材料为Ni21粉末和Co11粉末,粒度300目,化学成分如表2所示。试验还将两种粉末进行一定比例的混合。采用粘结剂方法将粉末预置在试样表面。试验在HGL-84型横流电激励CO2激光器(额定功率3kW)上进行,圆形光斑,同轴吹氮气保护。本试验重点探讨了影响激光熔覆表面质量的6个因素,即基材、合金粉末、预涂层厚度、激光功率、扫描速度和束斑尺寸(离焦量)。并通过正交试验法,筛选出影响显著的工艺因素。正交试验因素水平如表3所示。3试验结果与分析3.1预涂敷0.2m厚的激光熔覆工艺参数的影响为了客观地反映各因素影响规律,按正交试验表每组18次试验,分别独立进行3组试验。激光熔覆层表面质量的综合评价是以肉眼观察表面宏观质量,根据5个等级分类打分,试验结果如表4所示。根据上述3组试验的综合评分结果分析表明:(1)从已做的3组试验中可直接选出较好的工艺参数。第3号试验和第11号试验所得的熔覆层表面质量最好。表面质量综合评分分别为8.83分和9.67分。所以,一般认为这两种试验条件就是较好的工艺参数,即45钢预涂敷0.4mm厚Ni21∶Co11=1∶1混合粉末的激光熔覆工艺参数为:P=2.2kW,V=7mm/s,离焦量H=230mm;2Cr13钢预涂敷0.2mm厚的Ni21∶Co11=1∶1混合粉末的激光熔覆工艺参数为:P=2.2kW,V=5mm/s,离焦量H=240mm。(2)通过计算各列因素的极差(R),可以分析诸因素的主次关系。R值越大,表明该因素的水平变化对指标的影响越大,这个因素就越重要。反之,R值越小,这个因素就越不重要。因此,由试验得出各因素主次关系排列如下:(3)各因素水平变化与熔覆层表面质量的关系如图1所示,各因素的影响规律在3组试验中反映较好。(a)Ni21合金粉末的工艺性能较好,易获得表面平整且无缺陷的熔覆层。Co11粉末的工艺性较差,熔覆层易产生裂纹和气孔等缺陷,表面不平整。当Ni21粉末与Co11粉末混合后可显著地改善Co11粉的激光熔覆工艺性能。混合粉在45钢和2Cr13钢表面经激光熔覆均可得到平整、无缺陷的合金层。(b)离焦量,即束斑尺寸会显著影响熔覆层的质量。一般,在小尺寸束斑下,熔覆层表面质量较好。随着束斑尺寸的增大,表面质量下降。(c)预涂敷粉末厚度增加,会降低熔覆层表面质量。同时,熔覆所需的激光功率也增大。(d)激光功率应与基材、合金粉末、涂层厚度等工艺参数配合起来选择,它不是呈单调变化的因素。(e)在本试验条件下,移动速度在3～7mm/s的较窄范围内变化,故移动速度的改变对熔覆层的影响较小,不显著。但从图中可见,在较慢的移动速度下,激光熔覆层的质量较易控制。3.2工艺措施方面,在熔覆层存在较大残余拉应力本试验在单道熔覆试样上重新预涂同类型的合金粉末,采用相同的工艺参数进行多道熔覆,搭接系数为0.4。经双道搭接的熔覆层显微组织如图2、3。试验发现,单道熔覆层中不存在裂纹或凹坑等缺陷,经第二道熔覆搭接后,搭接带的裂纹敏感性显著增大。一旦第二道熔覆层中产生横向裂纹,其裂纹就迅速地横向传递,穿过前一道熔覆层。这说明激光熔覆时会产生很大的残余拉应力。当多道搭接时,残余拉应力会叠加而使局部总应力值迅速增大;同时,激光熔覆层的脆性很大,难以承受所产生的拉应力。由此可得出以下3条工艺措施:(1)工件采用大面积熔覆时,应避免采用搭接工艺。若在两条熔覆带之间保留一定宽度的未熔覆区,则可有效控制熔覆裂纹的产生和传递。(2)为了减小熔覆层的残余拉应力,激光熔覆前采取试样预热(预热温度150℃～200℃)。这样可以降低激光熔覆过程中的温度梯度,减小熔覆层凝固过程的过冷度。这种方法,对于大工件的表面熔覆效果尤其明显。(3)单道熔覆后的回火去应力。经激光熔覆后,增加一道180℃～200℃的回火工艺,然后再进行第二道搭接熔覆。这样,可以减小应力叠加值,使局部区域的残余拉应力小于熔覆层自身强度。3.3不同材料的添加量对硬度的影响多次熔覆是指在原熔覆层上预涂敷合金粉末后,再重复进行一次或多次熔覆的工艺过程。也即搭接系数为1的多道搭接。这样做的目的是通过多次熔覆来增加熔覆层的厚度。经试验表明,多次熔覆的裂纹敏感性会显著增大;前一道熔覆层的表面缺陷,如裂纹,凹坑等会“遗传”给下一道熔覆层;后道熔覆会降低前道熔覆层的硬度。这不仅有熔覆温度对硬度的影响,而且熔覆层的成分稀释也是影响硬度的原因。对多次熔覆工艺,虽然可以采用试验前预热和熔覆后回火去应力的方法来降低裂纹敏感性。但实际上熔覆材料自身的物理特性,凝固特性和凝固显微组织同样显著地影响熔覆过程的裂纹行为和缺陷类型。从实际对比Ni基和Co基两种合金粉末材料中发现,Co基合金在两种基材上激光熔覆时的裂纹缺陷敏感性均很高。随着Ni基粉末混合量的增加,熔覆层表面质量明显改善,裂纹等缺陷呈下降趋势。当Ni21和Co11粉末以1∶1比例混合或Ni21含量更高时,在两种基材上的激光熔覆均不再出现裂纹。熔覆层表面平整,无缺陷。文献认为,Ni含量提高,会降低FeCrNiBSi合金熔覆层的开裂敏感性。我们认为,Ni21合金粉末改善激光熔覆的工艺性,降低熔覆层裂纹率和减少缺陷的原因有三:(1)提高了熔覆合金对基材的润湿能力;(2)明显增加熔覆层自身的塑性;(3)降低了熔覆层的拉应力。因为Ni为强扩大奥氏体(γ)相区元素。韧性相(γ相)的增加会使熔覆层的塑性增加;Ni含量的增加,降低了熔覆层的热膨胀系数,从而降低了熔覆层的残余拉应力。同时,Ni21合金粉末中含有的B元素也提高了熔融合金的润湿能力。4预涂敷层和粉末激光熔覆技术(1)正交试验表明,合金粉末类型和束斑尺寸(离焦量)是影响激光熔覆层表面质量的主要因素,其次是预涂层厚度和激光功率,而基体材料和移动速度对熔覆层的表面质量影响较小。(2)Ni21合金粉末可显著改善激光熔覆工艺性能,降低熔覆层的裂纹和气孔等缺陷粉末和粉末以混合后,可显著降低Co11合金熔覆裂纹敏感性。(3)两种优化的激光熔覆工艺参数:(1)45钢基材,预涂敷0.4mm厚的Ni21∶Co11=1∶1混合粉末,激光熔覆工艺参数为:P=2.2kW,V=7mm/s,离焦量H=230mm;(2)2Cr13钢基材,预涂敷0.2mm厚的Ni21∶Co11=1∶1混合粉末,激光熔覆工艺参数为:P=2.2kW