激光熔覆層裂紋的控制方法及研究進展

來源：金屬加工

激光熔覆作為表面改性和綠色再制造重點發(fā)展的技術(shù)，利用高能密度的激光束產(chǎn)生快速熔凝過程，在基材表面形成與基體相互熔合，具有完全不同成分與性能的合金熔覆層，從而改善基體性能。激光熔覆層裂紋是激光熔覆過程中最為常見也是最危險的缺陷之一，隨著涂層材料的發(fā)展和復(fù)雜化，熔覆層裂紋控制技術(shù)尤為重要。通過分析激光熔覆層裂紋產(chǎn)生的原理和裂紋類型，從數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測、工藝參數(shù)優(yōu)化、添加稀土氧化物以及輔助工藝處理等方面，對激光熔覆層裂紋的控制方法及研究進展進行了闡述。

隨著材料科學(xué)的進步，表面處理技術(shù)快速發(fā)展。表面處理技術(shù)通過對零件表面進行必要的改性處理，進而減少零件的磨損，提高零件的壽命，大幅提高經(jīng)濟效益。在眾多現(xiàn)代表面處理技術(shù)中，利用激光的加熱、熔化和沖擊作用，快速、選擇性地掃描基體自身或引入其他材料實現(xiàn)基體表面性能改善的激光表面處理技術(shù)迅速發(fā)展，并在工業(yè)中推廣應(yīng)用。因其對基體材料的適用范圍廣和改善性能效果好的優(yōu)點，成為當(dāng)前最引人關(guān)注的表面處理技術(shù)之一。

激光熔覆技術(shù)作為再制造技術(shù)中重點發(fā)展的激光表面改性技術(shù)，在操作過程中能量消耗小，產(chǎn)生的廢氣、廢料少，是國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中重點發(fā)展的先進技術(shù)。同時，該技術(shù)具有能量集中、加熱和冷卻速度快、熱輸入和畸變較小，以及涂層稀釋率低等優(yōu)點，可以獲得更加符合設(shè)計預(yù)期的覆層性能。因此，國內(nèi)外均投入大量人力、物力進行研究，雖取得了一定的研究成果，但也發(fā)現(xiàn)激光熔覆層容易出現(xiàn)氣孔、開裂、成分不均勻等缺陷，進而會影響熔覆層的質(zhì)量，限制了激光熔覆技術(shù)的進一步發(fā)展。本文首先闡述了激光熔覆層裂紋產(chǎn)生的原理以及裂紋的分類，并梳理了近幾年國內(nèi)外學(xué)者從數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測、優(yōu)化工藝參數(shù)、添加稀土氧化物以及輔助工藝處理等方面對激光熔覆層裂紋的控制情況，以期為激光熔覆技術(shù)進一步發(fā)展提供借鑒和參考。

裂紋產(chǎn)生的原因

激光熔覆是一個急熱急冷的過程，熔覆材料和基材在很短時間內(nèi)要先熔化成液態(tài)，再由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。這個過程中熔覆層因受到外部的拘束而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過熔覆層的屈服強度時，則產(chǎn)生裂紋。引起裂紋的殘余內(nèi)應(yīng)力主要有：熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和約束應(yīng)力，其中對裂紋影響最大的為熱應(yīng)力。

（1）熱應(yīng)力
由于熔覆層溫度與室溫之間存在較大溫差，且不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，所以導(dǎo)致熔覆層冷卻收縮速度不同，收縮的速度差使熔覆層受到擠壓形成的應(yīng)力即為熱應(yīng)力。曾維華通過模擬多道激光熔覆過程分析得到，激光熔覆過程中熔覆層發(fā)生熱脹冷縮，從而導(dǎo)致變形不一致，在熔覆層內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。

（2）組織應(yīng)力
在熔覆材料和基材表面熔化至液態(tài)金屬、由液態(tài)金屬結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，以及熔覆層最后冷卻凝固的整個激光熔覆過程中，組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變不均勻所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

（3）約束應(yīng)力
其形成原因有兩種：一是由于激光熔覆是一個急冷急熱的過程，熔池中先行熔化的材料受熱膨脹，受到周圍較冷基體的約束而產(chǎn)生的壓應(yīng)力作用；二是由于加熱后的復(fù)合涂層在固態(tài)冷縮過程中受到其他部位較冷基體的牽制，產(chǎn)生拉應(yīng)力。研究表明，激光熔覆過程中因韌性遠小于脆性而產(chǎn)生的拉應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的主要原因。

裂紋的分類
根據(jù)裂紋產(chǎn)生的位置，裂紋分為熔覆層裂紋、界面基體裂紋、搭接裂紋，如圖1所示。

其中最常見的是界面基體裂紋，主要是因為基體與熔覆層材料的熱膨脹系數(shù)差異大，在熱應(yīng)力的作用下界面與基體結(jié)合處發(fā)生的裂紋，一旦該裂紋形成則緩慢向熔覆層表面擴展，在擴展中裂紋會在最大剪切應(yīng)力方向上分叉，新分叉的裂紋從表面向基體擴展。熔覆層裂紋是在熔化金屬的凝固過程中發(fā)生的，這是由于液態(tài)熔池壽命短暫、溫度突然降低產(chǎn)生的熱應(yīng)力所致。該類裂紋在熔覆層表面或內(nèi)部形成，并沿深度方向發(fā)生明顯分層斷裂現(xiàn)象。搭接區(qū)裂紋發(fā)生在搭接結(jié)合部與基材交接處形成“三角區(qū)”，主要是因搭接率選擇不合理而導(dǎo)致在結(jié)合區(qū)產(chǎn)生氣孔，該氣孔在各種應(yīng)力的作用下導(dǎo)致裂紋形成，且裂紋一旦形成，將擴展至整個熔覆層。根據(jù)裂紋源的不同，可分為以下4種。

（1）熔覆層夾渣和晶界非金屬氧化物聚集導(dǎo)致的熱裂紋

裂紋源為熔覆層中夾渣處和晶界非金屬氧化物聚集處（見圖2a）。為減少此類裂紋的產(chǎn)生，需要降低熔覆粉末中用于造渣的非金屬成分的含量。

（2）組織偏析導(dǎo)致的裂紋

裂紋源為組織偏析處（見圖2b）。控制粉末的均勻度是控制此裂紋的關(guān)鍵，如延長攪拌時間、減小粉末的粒度等。

（3）熱應(yīng)力導(dǎo)致的熔覆層裂紋（見圖2c）

裂紋源為熔覆層與基體結(jié)合處�？刂拼朔N裂紋的主要方式是降低熔覆層中的熱應(yīng)力。

（4）由熔覆層中陶瓷相的破碎導(dǎo)致的加工裂紋（見圖2d）

裂紋源為破碎陶瓷顆粒處�？刂拼朔N裂紋可選擇合適的加工工藝，降低磨削過程中的磨削力。

這4種裂紋極易隨熔覆面積和熔覆層厚度的增加而擴展，最終形成貫穿裂紋。

裂紋控制方法

4.1 數(shù)值模擬

激光熔覆過程中復(fù)雜的物理變化及化學(xué)變化直接影響熔池凝固后的宏觀形貌、微觀組織及物理冶金性能，而通過試驗方法測出熔覆層的溫度場和應(yīng)力場非常困難且成本較高。隨著計算機的進一步發(fā)展，數(shù)值模擬可有效計算出整個過程的溫度場和應(yīng)力場等信息，為激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化和裂紋控制提供了有效的預(yù)測方法。

曾維華等利用有限元軟件ANSYS研究了1Cr18N i9Ti奧氏體不銹鋼表面多道激光熔覆Ni25WC35合金粉末涂層時的溫度場和應(yīng)力場。研究表明，多道熔覆層處于拉應(yīng)力狀態(tài)，基材處于壓應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在搭接區(qū)，其次在第一道熔覆層中上部，以及熱影響區(qū)0.2～0.5mm內(nèi)拉應(yīng)力較大，從而解釋了熔覆層開裂與應(yīng)力的關(guān)系，為預(yù)測和控制裂紋提供了理論依據(jù)。龐銘等基于ANSYS 軟件的生死單元法編制熱循環(huán)程序來模擬溫度場的情況，揭示了激光熔覆過程中溫度-時間的變化規(guī)律，提出了能夠有效降低溫度梯度的激光參數(shù)范圍，以此抑制激光熔覆耐磨防腐自潤滑涂層因溫度梯度過大而開裂的情況。唐小康利用ANSYS軟件實現(xiàn)了激光熔覆過程中移動熱源的加載，并提出了一種根據(jù)熔覆件的動態(tài)溫度分布進行激光功率動態(tài)調(diào)整的預(yù)處理方法，解決了熔覆層局部溫度過高的問題。

崔權(quán)維采用遺傳算法（GA）優(yōu)化得到的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，使預(yù)測I N718鎳基高溫合金熔覆層裂紋的精度提高3倍以上，確定了工藝參數(shù)與熔覆層表面裂紋指數(shù)之間的映射關(guān)系，從而降低了熔覆層的裂紋率。崔陸軍等在基于U-net網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的熔覆裂紋語義分割網(wǎng)絡(luò)中增加注意力模型層（CRAM），對激光熔覆區(qū)微觀裂紋進行實時的像素級標(biāo)注和檢測。通過人工標(biāo)注、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)注、自適應(yīng)閾值法標(biāo)注3種標(biāo)注方法測試集的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)（見圖3），神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)注使熔覆裂紋的識別和檢測準(zhǔn)確率提升2.7%，裂紋測試集的準(zhǔn)確率達到79.8%；同時，可通過該模型實時優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)，大幅降低裂紋率。

4.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

激光熔覆主要的工藝參數(shù)有：激光功率、熔覆層厚度、送粉速率、掃描速度、保護氣體流量及光斑直徑等。通過優(yōu)化工藝參數(shù)抑制熔覆層的開裂是近些年最常用的方法，但裂紋對于工藝參數(shù)的變化極為敏感，尤其工藝參數(shù)之間的相互耦合作用對裂紋的影響極大，因此工藝參數(shù)組合和優(yōu)化既要保證熔覆層成形良好，又要保證熔覆層質(zhì)量和性能。

張蕾濤在45鋼激光熔覆制備Ni60/30%WC涂層試驗中研究了工藝參數(shù)對熔覆層裂紋率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率和搭接率的增大，裂紋率逐漸減�。浑S著掃描速度和送粉率的增加，裂紋率逐漸增大。激光功率作為激光熔覆過程中的熱輸入量，大小合適的激光功率才能增強熔池的流動性，有助于排渣排氣，從而降低熔覆層的裂紋率。在多道熔覆中，搭接部分相當(dāng)于對熔覆層之前產(chǎn)生的缺陷部分進行了重熔，從而降低了裂紋率。對于送粉速率，若送粉速率過大，會使單位時間內(nèi)向熔池輸送的粉末量增加，粉末難以熔化，同時粉末厚度也相應(yīng)增加，熱應(yīng)力隨之增大，導(dǎo)致裂紋率增大。此外，掃描速度的增大會使液態(tài)熔池的壽命變得更短，凝固速度R（R=vcosα）越快，冷卻速度ε越快，裂紋率隨之升高。宋建麗、李琦等提出在滿足生產(chǎn)效率和熔覆層形貌尺寸要求的情況下，增大激光能量密度、減小激光掃描速度或減小送粉速率，可有效降低熔覆層的開裂傾向。

4.3 添加稀土氧化物

由于稀土元素化學(xué)性質(zhì)較為活潑，如稀土鈰（Ce）、釔（Y）、鑭（La）可以與金屬元素形成較穩(wěn)定的化合物，因此在熔池中常成為異質(zhì)形核的形核質(zhì)點，提高形核率，從而細化晶粒，提高了涂層的性能，也能與熔池中的雜質(zhì)反應(yīng)，起到減少應(yīng)力集中點和降低熔池表面張力、凈化熔池的作用。在熔覆材料中添加稀土氧化物可有效地抑制熔覆層的開裂，但針對不同的熔覆條件，要選擇合理適量的稀土氧化物，過量的稀土氧化物會在熔池中生成大量的脆性相，導(dǎo)致熔覆層開裂。張蕾濤通 過 比 較 有 無 添 加 稀 土 CeO2的Ni60/50%WC涂層的裂紋率發(fā)現(xiàn)，隨著CeO2含量的增大，涂層的表面裂紋逐漸減少，至CeO2含量為1%時，涂層無裂紋。同樣，韓濱通過對試樣WC鐵基復(fù)合涂層截面頂、中、底部微觀組織進行觀察發(fā)現(xiàn)，隨著CeO2的加入，涂層表面裂紋數(shù)量明顯減少，裂紋類型從網(wǎng)狀裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向裂紋。

李養(yǎng)良等在45鋼基體表面激光熔覆稀土氧化物L(fēng)a2O3的Fe基涂層，將未添加稀土氧化物和添加0.2%La2O3的熔覆層裂紋情況進行對比。分析發(fā)現(xiàn)，添加La2O3的熔覆層相對于未添加稀土的激光熔覆層組織而言，熔覆層以胞狀晶和樹枝晶為主，枝晶十分細小、分布均勻，且熔覆層中的氣孔和裂紋明顯減少。崔朋賀等在鈦合金Ti6A14V表面制備了陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合涂層，系統(tǒng)研究了Y2O3含量對涂層組織和開裂敏感性的影響規(guī)律。研究表明，當(dāng)Y2O3含量為1%時，涂層不同區(qū)域斷裂韌度均有所提高，平均斷裂韌度和不添加稀土的涂層相比提高了約20%。

4.4 輔助工藝處理

（1）基體預(yù)熱

在激光熔覆過程中，基體與熔覆層之間會產(chǎn)生很大的溫度差，通過基體預(yù)熱的方式可有效降低溫度差，延長熔池壽命，有利于熔池中的氣孔排出，并且可減小因冷卻收縮在熔覆層和熱影響區(qū)引起的拉應(yīng)力，從而抑制熔覆層裂紋的產(chǎn)生。李琦通過在316L基體上激光熔覆制備Ni60A自熔合金涂層，發(fā)現(xiàn)隨著基體預(yù)熱溫度的升高，單 層 多 道 熔 覆 層 的 裂 紋 逐 漸 減 少 ， 當(dāng) 預(yù) 熱 溫 度≥450℃時，熔覆層不再出現(xiàn)裂紋。張棟棟采用不同的預(yù)熱溫度分別進行了控制Colmonoy88、Colferoloy1240-P2、Wallax55、St12B、Co47-49-1等5種合金粉末的單道熔覆層裂紋的產(chǎn)生試驗。結(jié)果顯示，隨著預(yù)熱溫度的升高，對抑制Colmonoy88和Wallax55熔覆層裂紋有一定效果，但單純采用預(yù)熱的方法不能完全消除裂紋；無論采用哪種預(yù)熱溫度，Colferoloy1240-P2熔覆層中都沒有裂紋產(chǎn)生，但熔覆層的硬度很低，耐磨性較差，不能滿足使用要求；當(dāng)預(yù)熱溫度達到300℃時，可消除St12B熔覆層中的裂紋；當(dāng)溫度達到500℃時可以消除Co47-49-1熔覆層中的裂紋。

王冉等采用基體預(yù)熱的方法對在鈦合金表面制備的Al2O3和8%ZrO2的陶瓷熔覆層的裂紋敏感性進行研究。不同預(yù)熱溫度下激光熔覆Al2O3-ZrO2陶瓷涂層SEM圖如圖4所示。

由圖4可知，隨著預(yù)熱溫度的提高，熔覆層裂紋呈下降趨勢，預(yù)熱200～300℃時熔覆層的裂紋數(shù)量明顯減少。黃雪等利用激光熔覆技術(shù)在304不銹鋼基體表面制備Co基合金并加入30%或60%的WC混合粉末的激光熔覆層時，利用電阻爐對基體進行500℃的預(yù)熱處理，使加入30% WC的Co基合金涂層裂紋全部消除，加入60% WC的Co基合金涂層裂紋由多條減少到僅有6條，如圖5所示。

綜上研究表明，通過基體預(yù)熱處理抑制熔覆層開裂時選擇的預(yù)熱溫度不宜過高。否則，一方面會增加預(yù)熱時間，另一方面會促進晶粒生長，使晶粒變得粗大。因此，只有合理的預(yù)熱溫度才能有效抑制熔覆層的開裂，同時不引起性能下降。

（2）激光重熔

激光重熔是在不外加熔覆材料的基礎(chǔ)上直接在基體上或在涂層上用高能激光束輻照，使其進行再次熔化和凝固，這樣能夠有效愈合裂紋，減少缺陷。當(dāng)然，激光重熔的功率要合適，若功率太低，則不僅達不到愈合裂紋的效果，還會導(dǎo)致二次裂紋的產(chǎn)生。張蕾濤在45鋼激光熔覆Ni60/50%WC涂層試驗中，對熔覆層依次進行激光功率為0.5kW、1.0kW、1.5kW的激光重熔，使激光熔覆涂層的裂紋率從11.83%降到0。鄧德偉等在激光熔覆制備Cu-18Pb-2Sn熔覆層后，選用相同功率的激光再次掃描熔覆層對其進行重熔，在一定程度上孔洞的數(shù)量和大小都得到了相應(yīng)的改善，降低了熔覆層開裂的概率。魯耀鐘等對Inconel718合金粉末涂層進行以激光功率為3kW的激光重熔處理，觀察到重熔后熔覆界面結(jié)合處的裂紋得到了抑制，如圖6所示。

4.5 場外輔助技術(shù)

超聲波振動技術(shù)作為一種場外輔助技術(shù)應(yīng)用于激光熔覆過程中，利用高能超聲波在熔體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)、機械效應(yīng)等多種非線性效應(yīng)，可在極短時間內(nèi)改善熔池內(nèi)增強體與熔體的潤濕性，同時將空化效應(yīng)產(chǎn)生的晶核擴散至整個熔池中，有效提高了形核率，均化了溫度梯度和成分分布，降低了偏析程度，從而可有效降低熔覆層的開裂敏感性。

宋建麗、王維等研究了超聲波振動對于抑制熔覆層裂紋的能力。研究發(fā)現(xiàn)，施加超聲波振動相較于未施加超聲振動的熔覆層，涂層晶粒尺寸明顯減小，裂紋率明顯降低。胡國放以42CrMo鋼為基體，NiCrBSi合金粉末為熔覆層材料，用自行研制開發(fā)的電-磁場、超聲波場和電-磁-超聲波復(fù)合場分別輔助進行激光熔覆試驗，復(fù)合輔助試驗裝置如圖7所示。經(jīng)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，僅無輔助場的熔覆層有裂紋存在，其他3種有輔助場的熔覆層均未發(fā)現(xiàn)裂紋。


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結(jié)束語

激光熔覆技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的表面處理技術(shù)迅速發(fā)展并被廣泛應(yīng)用，但是熔覆層裂紋作為激光熔覆中最常見且最危險的缺陷之一，是首先要解決的問題。

目前，關(guān)于熔覆層裂紋形成的原因、機理及控制方法均取得了較大的進展，形成了從數(shù)值模擬、工藝優(yōu)化、裂紋預(yù)測與檢測、合金成分的調(diào)整到輔助工藝技術(shù)手段等諸多方面的研究成果，為熔覆層裂紋的預(yù)測和控制提供了理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。然而，誘發(fā)熔覆層開裂的影響因素眾多，且各個因素之間相互影響，因此單純地通過某一種方法控制裂紋，均存在一定的局限性。

隨著新材料的不斷發(fā)展，建立一套涵蓋熔覆層材料數(shù)據(jù)庫、有限元分析、裂紋預(yù)測與實時監(jiān)測、工藝參數(shù)優(yōu)化，以及輔助工藝等一體化的裂紋預(yù)測與控制技術(shù)，將是推進激光熔覆技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵和重點研究方向。

參考文獻：
本文共有44篇參考文獻，此處省略，如需請下載原文查看。文章來源：金屬加工（熱加工）2022年第10期，13-19頁，原標(biāo)題為：激光熔覆層裂紋的控制方法及研究進展。作者簡介：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)王雪嬌、吳世品、楊超鋒，天津鋼管集團股份有限公司丁偉，天津金橋焊材集團有限公司馬強。