激光熔覆制備鎳基選擇性吸收涂層的研究

詹良斌，龐旭明，江建鑫

（1.蘇州道森鉆采設(shè)備股份有限公司，江蘇蘇州 215000；2.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京 211816）

隨著化石能源使用帶來(lái)的環(huán)境污染問題的加重，對(duì)新能源的開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)下各國(guó)科研學(xué)者亟待解決的難題。太陽(yáng)能是目前最環(huán)保的可再生能源，最簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能利用方法是使用太陽(yáng)能集熱器的光熱轉(zhuǎn)換[1]。太陽(yáng)能的光熱發(fā)電技術(shù)是近些年新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，該技術(shù)對(duì)環(huán)境污染小，電力輸出平穩(wěn)，能夠與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合減少建設(shè)成本[2]。光熱發(fā)電的核心部件是光譜選擇性吸收涂層，它的作用是在太陽(yáng)輻射能量強(qiáng)度較大的區(qū)域吸收輻射能，在黑體輻射強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域減少因熱輻射所產(chǎn)生的材料熱量損失。該涂層對(duì)波長(zhǎng)λ＜2.5 μm 的區(qū)域應(yīng)具有高的太陽(yáng)吸收率，在λ＞2.5 μm 的紅外區(qū)域（IR）應(yīng)具有低的熱發(fā)射率[3，4]。

激光熔覆是一種常應(yīng)用在航空航天、高端設(shè)備上的表面增材技術(shù)。通過高能激光束在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的大量熱量使被加工樣品快速熔化與重凝，從而基體材料與涂層材料形成牢固的冶金結(jié)合。通過數(shù)值模擬的方法建立完整的流場(chǎng)、熱場(chǎng)和熱物理參量場(chǎng)信息[5，6]，有助于揭示激光與材料之間相互作用的過程，為研究?jī)?yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)提供依據(jù)，從而制備出具有良好冶金結(jié)合的涂層。

金屬Ni 具有優(yōu)異的吸收性能，但是發(fā)射率較高[7]。TiN 在可見光范圍展現(xiàn)了良好的吸收性能且在遠(yuǎn)紅外區(qū)域則具有低的發(fā)射率[8]。鑒于此，Ni-TiN 復(fù)合材料體系可以實(shí)現(xiàn)高吸收率和低發(fā)射率。

綜上所述，以Ni-TiN 金屬陶瓷為研究對(duì)象，通過對(duì)熔覆溫度場(chǎng)的研究，確定該材料體系的最佳熔覆工藝，進(jìn)而制備光學(xué)性能優(yōu)異的Ni 基太陽(yáng)能吸收涂層，為太陽(yáng)能吸熱涂層的制備提供了一種新的思路。

1 模擬與實(shí)驗(yàn)研究

1.1 數(shù)值模擬

1.1.1 溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型建立 根據(jù)激光熔覆特性，熔覆過程中在材料熔合處產(chǎn)生溫度極高的熔池。熔池的大小、形狀和流動(dòng)是影響涂層質(zhì)量的重要因素。而溫度場(chǎng)的變化能直觀反映出熔池的變化及池內(nèi)流體流動(dòng)。通過以下方程表示溫度場(chǎng)的分布情況:

式中:φ-潛熱；ρ-材料的密度；c-材料的比熱；t-熔覆過程進(jìn)行的時(shí)間；λ-材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

激光熔覆的熱源模型選擇高斯分布函數(shù)，如公式（2）。

式中:Q-有效輸入功率；q （x，y，t）-熱流量；t-熔覆時(shí)間；τ-時(shí)間延遲因子；ν-熔覆速度；σ-有效加熱半徑。

1.1.2 物理模型的建立 三維模型尺寸為:基體30 mm×30 mm×10 mm，涂層厚度1 mm。在網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果精確的相容性，在熔覆層和基體熱影響區(qū)采用較密集的網(wǎng)格密度，而在遠(yuǎn)離激光作用區(qū)域采用較稀疏的網(wǎng)格密度，有限元模型（見圖1）。

圖1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

顯然，選擇合理的激光熔覆工藝參數(shù)，對(duì)于熔覆涂層的性能和組織有著至關(guān)重要的影響。為制備出綜合性能良好的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，以Ni/TiN 質(zhì)量比為1 的成分為研究對(duì)象，首先對(duì)Ni 基金屬陶瓷進(jìn)行了熔覆工藝參數(shù)的優(yōu)化分析。本章在熔覆層的前、中、后部各選取了一個(gè)取樣點(diǎn)（見圖2）。利用Visual-weld 后處理軟件得到各采樣點(diǎn)在不同激光工藝參數(shù)下的熱循環(huán)曲線，通過對(duì)熱循環(huán)曲線來(lái)分析激光工藝參數(shù)和溫度場(chǎng)的關(guān)系。

圖2 取樣點(diǎn)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)研究

采用Ni-TiN 體系，金屬陶瓷之間質(zhì)量分?jǐn)?shù)（見表1）。襯底基材是316 不銹鋼（30 mm×30 mm×10 mm），涂層厚度1 mm。將Ni-TiN 復(fù)合材料預(yù)置在不銹鋼襯底上，再用激光進(jìn)行熔覆處理。采用龍門式激光焊接平臺(tái)，激光器采用1 064 nm 波長(zhǎng)的橫流連續(xù)CO2激光器，工藝參數(shù)與模擬時(shí)的相同，并在氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔覆。

表1 金屬陶瓷成分特點(diǎn)

2 結(jié)果與分析

由于熔池的熔深和熔寬、熔覆層的表面粗糙度以及精度受激光功率的影響較大，所以首先對(duì)激光功率進(jìn)行研究。在保持光斑直徑和掃描速度不變的情況下，改變激光功率進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，其工藝參數(shù)（見表2）。

表2 不同激光功率的熔覆工藝參數(shù)

隨著激光功率的不斷增加（見圖3），取樣點(diǎn)的最高溫度也逐漸升高。三個(gè)取樣點(diǎn)的最高溫度也隨著激光功率的增加而增高，并在末端達(dá)到最高點(diǎn)，這主要是由于隨著光斑的移動(dòng)，熱量不斷向未熔覆區(qū)域堆積而造成的。因此，當(dāng)激光功率過大時(shí)，熔覆層末端與前、中端的溫差增加，使得熔覆層表面不平整，末端出現(xiàn)堆積的現(xiàn)象。而當(dāng)激光功率過小時(shí)，熔覆層不能完全熔化，無(wú)法與基體形成穩(wěn)定的冶金結(jié)合。

節(jié)點(diǎn)2 在不同功率作用下的橫截面溫度分布，當(dāng)激光功率P 為800 W 時(shí)，熔覆層的最高溫度僅為2 563 ℃，未能達(dá)到熔覆層的熔點(diǎn)，涂層與基體間不能形成冶金結(jié)合。而當(dāng)激光功率P 為1 000 W 時(shí)，熔池深度為1.28 mm，其Fe 的稀釋率高達(dá)21.9%，過多Fe 元素溶入涂層，會(huì)顯著降低涂層的光學(xué)性能。因此，激光功率P 為900 W 是合理的工藝參數(shù)。

光斑直徑與熱源的密度有著密切的關(guān)系。采用有限元方法，保持激光功率和掃描速度不變，分析光斑直徑對(duì)溫度場(chǎng)的影響。具體的工藝參數(shù)（見表3）。

不同光斑直徑作用下的各節(jié)點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線圖（見圖4）。由圖4 可知，熔覆層的最高溫度隨著光斑直徑的減少而不斷升高，且各節(jié)點(diǎn)到達(dá)最高溫度后，其溫度-時(shí)間曲線斜率也隨之變小，即冷卻速率降低。然而光斑直徑為2 mm 和3 mm 的最高溫度基本相當(dāng)。

圖3 各節(jié)點(diǎn)不同功率作用下的溫度-時(shí)間曲線：（a）節(jié)點(diǎn)1；（b）節(jié)點(diǎn)2；（c）節(jié)點(diǎn)3

表3 不同光斑直徑的熔覆工藝參數(shù)

采用有限元法，保持激光功率和光斑直徑不變的條件下，分析掃描速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響。其具體的工藝參數(shù)（見表4）。

表4 不同掃描速度的熔覆工藝參數(shù)

從各節(jié)點(diǎn)不同掃描速度作用下的溫度-時(shí)間曲線可以觀察到（見圖5），隨著掃描速度的不斷增加，各節(jié)點(diǎn)的最高溫度在不斷減小。這是由于掃描速度過快，光斑與涂層接觸的時(shí)間過短，導(dǎo)致只有一部分的熱量被涂層吸收，最終造成最高溫度降低。由此可以看出，掃描速度過低，熔覆層局部溫度過高，影響熔覆層表面的形貌，不利于提高實(shí)際的生產(chǎn)效率。而掃描速度過高，熔覆層單位時(shí)間內(nèi)吸收的能量過少，熔覆層未能達(dá)到熔點(diǎn)，不能獲得完整的熔覆層。綜合所述，制備鎳基金屬陶瓷的合理激光熔覆工藝參數(shù)為:激光功率P=900 W，光斑直徑D=3 mm，掃描速度V=3 mm/s。

不同成分含量激光熔覆的Ni-TiN 太陽(yáng)能選擇性吸收涂層在下掃描電子顯微鏡的顯微組織圖像（見圖6）。從圖6 中可以看出，樣品1 的熔覆層整體呈現(xiàn)連續(xù)致密，表面無(wú)裂紋，無(wú)氣孔，均勻彌散鑲嵌其中的顆粒是TiN。隨著TiN 電含量不斷增加，熔覆層表面微觀形貌相對(duì)均勻。非晶態(tài)的陶瓷顆粒能更清楚的觀察到，沒有發(fā)現(xiàn)涂層的孔隙、裂紋或其他不連續(xù)的地方，這再次表明了激光熔覆方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

涂層利用Lamda950 型分光光度計(jì)測(cè)量試樣在可見光-近紅外波段的單色光反射比，用Nicolet IS10 型傅里葉紅外光譜儀測(cè)量在遠(yuǎn)紅外區(qū)域的紅外反射比，所得反射光譜圖（見圖7（a）和圖7（b））。從圖中可以看出，試樣的光譜反射曲線整體相似。在0.3～0.4 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射率快速下降，＞0.4 μm 波長(zhǎng)反射率顯著增加，隨后上升速度逐漸減緩直至趨于穩(wěn)定。其中樣品1 的反射曲線相較于其他試樣處于較低水平。

將反射率代入公式（3）和（4），可計(jì)算出涂層的吸收率和發(fā)射率[9]（見圖7（c）和圖7（d））。

圖4 各節(jié)點(diǎn)不同光斑直徑作用下的溫度-時(shí)間曲線：（a）節(jié)點(diǎn)1；（b）節(jié)點(diǎn)2；（c）節(jié)點(diǎn)3

圖5 各節(jié)點(diǎn)不同掃描速度的溫度-時(shí)間曲線：（a）節(jié)點(diǎn)1；（b）節(jié)點(diǎn)2；（c）節(jié)點(diǎn)3

圖6 不同試樣的顯微組織圖：（a）試樣1；（b）試樣2；（c）試樣3

其中:λ-波長(zhǎng)；R（λ ）-反射率；IS（λ ）-太陽(yáng)輻射入射能量；Ib（λ，t ）-黑體輻射強(qiáng)度。

由圖7（c）可知，樣品1 的吸收率最高，其值為76.4%。從圖7（b）所示的樣品的紅外反射光譜來(lái)看，除樣品1 外，激光熔覆制備的所有涂層的紅外反射系數(shù)隨紅外波長(zhǎng)的增加變化不大，一直處于較高的水平。這可能是因?yàn)橥繉颖砻嬷旅芏容^高，在紅外波段表現(xiàn)為鏡面，減少了中紅外區(qū)光的吸收，提高了反射率。樣品1 的反射率在85%～95% 變化，并且隨著波長(zhǎng)的增加，反射率呈下降的趨勢(shì)。根據(jù)圖7（d），試樣1 的吸收率雖然最高，但是由于其發(fā)射率較高，導(dǎo)致其α/ε 值較低，使其光熱轉(zhuǎn)換性能低于試樣2。研究表明，試樣2的光熱轉(zhuǎn)換性能最高（α/ε=32.4），其吸收率和發(fā)射率分別為71.3%和2.2%。

圖7 涂層的反射光譜和吸收性能：（a）紫外反射光譜；（b）紅外反射光譜；（c）樣品的吸收率；（d）樣品的發(fā)射率

3 結(jié)論

利用激光熔覆的方法制備出了單層Ni-TiN 選擇性吸收涂層，涂層連續(xù)致密，表面均勻光滑。利用SYSWELD 軟件建立三維模型進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬分析，制定了合理的激光熔覆工藝，模擬和實(shí)驗(yàn)表明涂層與基體為良好的冶金結(jié)合。當(dāng)Ni/TiN 質(zhì)量比為2:3 時(shí)，涂層的光熱轉(zhuǎn)換性能最高，其吸收率71.3%，發(fā)射率2.2%，吸收率/發(fā)射比為32.40。