高斯光束傳播對(duì)激光熔覆覆層的影響

高文焱，趙樹森，林學(xué)春

（中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所全固態(tài)光源實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

激光熔覆是一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)，相比傳統(tǒng)表面強(qiáng)化技術(shù)具有組織細(xì)化、稀釋率低、變形小等優(yōu)勢(shì)[1-2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)激光熔覆工藝進(jìn)行了大量研究與探索。Partes[3]研究了激光功率、掃描速度及粉末密度分布對(duì)熔覆的影響，發(fā)現(xiàn)增加掃描速度可提高粉末利用率。Sun Yuwen[4]在Ti6Al4V基體上熔覆了Ti6Al4V涂層，研究了激光功率、掃描速度、送粉率對(duì)覆層幾何形貌與稀釋率的影響，發(fā)現(xiàn)送粉率對(duì)覆層寬度、高度起主導(dǎo)作用；掃描速度對(duì)熔池深度起決定性作用。徐嘉隆[5]在Ni-Sn共晶合金的基材上熔覆Ni-Sn共晶合金粉末，發(fā)現(xiàn)隨著激光掃描速度的增大，覆層底部共晶組織不斷細(xì)化，共晶層片間距逐漸減小。欒景飛[6]研究了激光熔覆參數(shù)對(duì)灰鑄鐵激光熔覆層裂紋的影響，發(fā)現(xiàn)表層裂紋率隨著激光掃描速度或激光功率的增加有其最低值。

現(xiàn)有針對(duì)激光熔覆工藝的研究主要是對(duì)激光功率、掃描速度、送粉率、離焦量等參數(shù)進(jìn)行的分析，大多忽略了高斯光束傳播對(duì)覆層幾何形貌的影響。但高斯光束在傳播路徑上，其功率密度分布具有顯著變化，這對(duì)于熔覆質(zhì)量有著顯著影響。為此，本文分析了高斯光束成像問(wèn)題，研究了高斯光束在光路上的功率密度變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對(duì)工藝進(jìn)行創(chuàng)新，采用負(fù)離焦光束進(jìn)行熔覆，獲得了稀釋率較低，邊緣良好冶金結(jié)合，無(wú)未熔顆粒、缺陷的覆層，為高質(zhì)量大面積熔覆奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)基材選用Q235，樣品尺寸為：100 mm×200 mm×10 mm；覆材選用Fe901+5%Cr3C2粉末。實(shí)驗(yàn)所用激光器為3 kW的Nd:YAG全固態(tài)激光器。熔覆過(guò)程使用側(cè)向送粉方式，送粉氣流量3 L/min，送粉率8.5 g/min。進(jìn)行單道激光熔覆工藝試驗(yàn)，工藝參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)照表

激光熔覆后，將獲得的熔覆試樣沿垂直掃描方向進(jìn)行線切割，對(duì)試樣截面進(jìn)行磨、拋處理，選用酒精+4%硝酸溶液作為侵蝕劑，用光學(xué)金相顯微鏡觀察熔覆層幾何形貌與微觀結(jié)構(gòu)，采用顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層硬度分布。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 離焦量對(duì)覆層幾何形貌影響規(guī)律

圖1是正離焦條件下熔覆層的幾何形貌，覆層均類似“蘑菇”形狀。覆層上半部過(guò)寬，邊緣結(jié)合質(zhì)量差，存在孔洞（圖2）。在第4組工藝參數(shù)條件下獲得的覆層邊緣甚至出現(xiàn)了缺損（圖3、圖4）。覆層下半部稀釋率較高，近似成半圓形。

圖1 3號(hào)試樣截面光學(xué)顯微圖

圖2 圖1中A區(qū)域局部放大

圖3 4號(hào)試樣截面光學(xué)顯微圖

圖4 圖3中B區(qū)域局部放大

對(duì)于負(fù)離焦試樣，其覆層截面形貌較好，結(jié)合處近似為一條直線，稀釋率很低，熱影響區(qū)較小，覆層與基體結(jié)合處存在“白亮帶”，冶金結(jié)合良好[7]，見圖5。

圖5 7號(hào)試樣截面光學(xué)顯微圖

2.2 高斯光束傳輸特性分析

使用ZEMAX對(duì)高斯光束聚焦進(jìn)行光線追跡，同時(shí)得到焦點(diǎn)附近的光線分布情況（圖6）。通過(guò)比較可發(fā)現(xiàn)，正、負(fù)離焦區(qū)域光束截面能量密度分布存在差別。在負(fù)離焦情況下，由中央到邊緣光線密度逐漸變大，能量密度也隨之升高，但整體變化不大（圖7a）。在正離焦情況下，中央?yún)^(qū)域光線密，能量密度高；邊緣區(qū)域光線稀疏，能量密度低，且兩者相差很大（圖7b）。在實(shí)際操作中，從負(fù)離焦20 mm開始到正離焦20 mm結(jié)束，期間每隔2 mm進(jìn)行一次激光打點(diǎn)，打點(diǎn)功率為300 W，打點(diǎn)時(shí)間為0.5 s，得到的光斑分布見圖8，可看出光束能量密度分布與圖7基本吻合。

圖6 焦點(diǎn)附近光線分布

圖7 負(fù)、正離焦區(qū)域光束截面點(diǎn)列圖

圖8 不同離焦量下激光打點(diǎn)所得表面形貌

結(jié)合對(duì)高斯光束聚焦情況的模擬，對(duì)熔覆實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。在正離焦情況下，光斑中央?yún)^(qū)域能量密度大，使基體熔化較多，稀釋率較大，覆層硬度有所降低；光斑邊緣區(qū)域激光能量密度小，同時(shí)又考慮粉末對(duì)光束的遮擋，基體熔化量很小，稀釋率低，但也使得邊緣處結(jié)合質(zhì)量差，有孔洞出現(xiàn)。在負(fù)離焦情況下，光斑中央與邊緣區(qū)域能量密度差別較小，使得在一定送粉率下，覆材能充分熔化，而基體又不存在熔化不均勻的情況，在保證較低稀釋率的同時(shí)又得到了良好的結(jié)合質(zhì)量，熱影響區(qū)也較小。

2.3 涂層性能對(duì)比

對(duì)于該涂層主要考慮其耐磨特性，因此僅考量涂層硬度分布即可。在顯微硬度測(cè)試過(guò)程中，壓力為1.96 N，維持時(shí)間15 s。

本實(shí)驗(yàn)所用覆層材料為Fe901+5%Cr3C2。單一的Fe901粉末進(jìn)行激光熔覆后，覆層截面顯微組織為樹枝晶[8]。摻入Cr3C2后，由于其熔點(diǎn)高，在凝固過(guò)程中最先析出，成為異質(zhì)晶核，同時(shí)還可阻斷樹枝晶生長(zhǎng)，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用（圖9）。部分分解的Cr3C2還可提供C原子，產(chǎn)生高硬度碳化物。這些因素的共同作用使覆層硬度顯著提高。

圖9 Fe901+5%Cr3C2覆層截面顯微組織

對(duì)3號(hào)、7號(hào)試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖10?？煽闯鰞蓚€(gè)試樣的覆層顯微硬度相差不大，7號(hào)試樣略高，且熱影響區(qū)?。?號(hào)試樣的覆層顯微硬度波動(dòng)大，外表面硬度低。

圖10 3號(hào)與7號(hào)試樣覆層顯微硬度對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可看到正、負(fù)離焦對(duì)覆層形貌、稀釋率、結(jié)合情況及覆層硬度的影響，分析原因主要在于正、負(fù)離焦情況下光束能量密度分布的差異。

3 結(jié)論

（1）高斯光束傳播對(duì)激光熔覆覆層影響顯著。在正離焦情況下，隨著離焦量增加，能量密度逐漸減小，可實(shí)現(xiàn)覆材照射區(qū)域能量密度大，熔化充分；基體表面區(qū)域能量密度小，僅薄層熔化的效果，滿足覆層對(duì)稀釋率的要求。然而，這種工藝忽略了光束在垂直傳播方向上的能量分布特點(diǎn)，造成覆層中央?yún)^(qū)域稀釋率大，邊緣處結(jié)合質(zhì)量無(wú)法保證，同時(shí)存在未熔顆粒，影響多道搭接質(zhì)量。采用負(fù)離焦這一新工藝方法，可提高光斑邊緣區(qū)域的能量密度，縮小其與光斑中央?yún)^(qū)域的能量密度差，獲得了稀釋率較低，與基體冶金結(jié)合良好的涂層，為高質(zhì)量大面積熔覆奠定了基礎(chǔ)，為今后激光熔覆工藝提出了另一方向。

（2）本實(shí)驗(yàn)所用覆層材料為 Fe901+5%Cr3C2。由于Cr3C2熔點(diǎn)高，在凝固過(guò)程中最先析出，成為異質(zhì)晶核，同時(shí)阻斷樹枝晶生長(zhǎng)，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用；部分分解的Cr3C2還能向覆層提供C原子，產(chǎn)生高硬度碳化物，使覆層硬度顯著提高。

[1] 關(guān)振中.激光加工工藝手冊(cè)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998.

[2] 張堅(jiān)，邱斌，趙龍志.激光熔覆技術(shù)研究進(jìn)展[J].熱加工工藝，2011，40（18）：116-119.

[3] Partes K，Sepold G.Modulation of power density distribution in time and space for high speed laser cladding[J].Journal of Materials Processing Technology，2008，195（1-3）：27-33.

[4] Sun Yuwen，Hao Mingzhong.Statistical analysis and optimization of process parameters in Ti6Al4V laser cladding using Nd:YAG laser[J].Optics and Lasers in Engineering，2012，50：985-995.

[5] 徐嘉隆，林鑫，汪志太，等.激光熔覆Ni-Sn共晶合金的組織演變[J].應(yīng)用激光，2011，32（1）：1-7.

[6] 欒景飛，胡建東，周振豐，等.激光熔覆參數(shù)對(duì)灰鑄鐵激光熔覆層裂紋的影響[J].應(yīng)用激光，2000，20（2）：53-60.

[7] Liu Z，Chan K C，Liu L，et al.Bioactive calcium titanate coatings on a Zr-based bulk metallic glass by laser cladding[J].Materials Letters，2012，82：67-70.

[8] 周芳，朱濤，龐馳.銅對(duì)鐵基合金激光熔覆涂層的影響[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2009，9（1）：76-80.