45 鋼激光熔覆Ni60 合金粉末工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化

嵇友迪，龔紅英，徐培全

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院,上海 201620）

激光熔覆作為一種發(fā)展較為成熟的激光表面強化技術(shù)，在工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)中發(fā)揮很大的作用.與傳統(tǒng)加工工藝相比，具有優(yōu)質(zhì)、高效等特點.激光熔覆技術(shù)最早由美國AVCO 公司開始使用，并且利用激光熔覆技術(shù)成功修復(fù)了磨損工件.對于磨損失效的模具進(jìn)行再制造，能夠創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟與社會效益，是實現(xiàn)資源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一.激光熔覆的工藝參數(shù)與熔覆層的質(zhì)量有密切關(guān)系，所以選取合適的激光熔覆工藝參數(shù)是獲得高質(zhì)量熔覆層的關(guān)鍵[1].

研究人員通?；谠囼炘O(shè)計，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)方法對激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.趙凱等[2]以反映熔覆層形貌和質(zhì)量的特征參數(shù)設(shè)計中心復(fù)合試驗，對比分析響應(yīng)面法的回歸模型與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對單道熔覆的預(yù)測效果，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法NSGA-Ⅱ?qū)υ囼灩に噮?shù)激光功率、送粉速度、掃描速度優(yōu)化求解，最終表面硬度增加17.11%，基體熱影響區(qū)深度減小13.9%，熔覆效率增大6.1%.許向川等[3]以激光功率、送粉量、掃描速度作為優(yōu)化變量，熔覆層高度和寬度作為響應(yīng)指標(biāo)，基于響應(yīng)面分析設(shè)計中心復(fù)合試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析建立工藝參數(shù)與響應(yīng)指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系，得到回歸預(yù)測模型和最優(yōu)工藝參數(shù)為激光功率3.94 kW、送粉量60 g/min、掃描速度4 mm/s.

有學(xué)者基于試驗數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型，利用優(yōu)化算法對激光熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.袁修繞[4]基于激光熔覆工藝參數(shù)試驗數(shù)據(jù)，使用方差分析法分析工藝參數(shù)對熔覆層性能影響顯著程度，并且分別運用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、GRNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等對工藝參數(shù)和熔覆層性能參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)GRNN 模型的綜合誤差最小，最終建立顯微硬度、稀釋率、熱影響區(qū)深度3 個目標(biāo)函數(shù)，采用統(tǒng)一目標(biāo)法對多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.優(yōu)化結(jié)果結(jié)果顯示：顯微硬度提升27.4%、稀釋率下降82.4%、熱影響區(qū)深度下降3.78%.

本研究基于層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）、結(jié)合正交試驗，以激光功率、掃描速度、搭接率為自變量，熔覆層表面的顯微硬度和磨損量為目標(biāo)，實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化，為激光熔覆技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用提供理論支持.

1 層次分析法確定權(quán)重

在處理多目標(biāo)優(yōu)化問題中，基于工程實踐以及經(jīng)濟成本的綜合考慮，無法保證每一個工藝參數(shù)都是最優(yōu)參數(shù)，而且考慮到工件的服役要求，對各工藝參數(shù)的側(cè)重也有所不同.單個工藝目標(biāo)的重要性一般采用權(quán)重來表示，綜合工藝目標(biāo)的重要性一般采取權(quán)重求和的形式確定[5].

AHP 是一種解決較為復(fù)雜、優(yōu)化多目標(biāo)的數(shù)學(xué)分析方法，可以將定性問題與定量問題相結(jié)合，使復(fù)雜的系統(tǒng)分解，將研究過程中的思維過程數(shù)學(xué)化、系統(tǒng)化，把多目標(biāo)多準(zhǔn)則又難以全部量化處理的決策問題轉(zhuǎn)化為多層次單目標(biāo)問題[6].

首先建立層次結(jié)構(gòu)模型，將決策的目標(biāo)、準(zhǔn)則和對象按照他們之間的關(guān)系分為最高層、中間層和最低層[7].本試驗中層次結(jié)構(gòu)模型可分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層，如圖1 所示.

圖1 層次分析結(jié)構(gòu)圖Fig.1 AHP structure diagram

層次分析法中構(gòu)造判斷矩陣的方法是一致矩陣法，即不把所有因素放在一起比較，而是兩兩相互比較.采用相對尺度盡可能減少性質(zhì)不同因素相互比較的困難，提高準(zhǔn)確度.采用1～9 標(biāo)度法確定綜合工藝目標(biāo)的權(quán)重.判斷矩陣中aij的標(biāo)度方法，見表1.本方案中所構(gòu)造的準(zhǔn)則層因素對目標(biāo)層的比較判斷矩陣為aij為準(zhǔn)則層因素對目標(biāo)層的重要程度.方案層的比較判斷矩陣為對于矩陣A、B1、B2求出對應(yīng)的最大特征值λ=2，λ1=3.2948，λ2=3.1356.定義一致性指標(biāo)n為矩陣階數(shù). CI=0，具有完全的一致性；CI 接近于0，有滿意一致性.CI越大，不一致越嚴(yán)重.為衡量CI大小，引入隨機一致性指標(biāo)RI，見表2.隨機一致性比率，當(dāng) CR<0.1時，判斷矩陣有滿意的一致性，或者矩陣的不一致性程度是可以接受的；否則需要調(diào)整矩陣，直到達(dá)到滿意的一致性為止.矩陣A、B1、B2通過一致性和隨機一致性檢驗.

表1 矩陣標(biāo)度含義Table 1 Matrix scale meaning

表2 隨機一致性指標(biāo)RITable 2 Random consistency index RI

下面對各因素的權(quán)重進(jìn)行計算

1）層次單排序

計算判斷矩陣每一行元素的乘積

可得矩陣A中M1=4，M2=0.25.可得

計算Mi的2 次方根可得矩陣A中W=(W1,W2)=（2,0.5）.對方根向量正交化可得

準(zhǔn)則層矩陣特征向量X=(0.8，0.2)，根據(jù)以上計算可得方案層特征向量X1=（0.672 0，0.229 8，0.098 2），X2=（0.547 2，0.263 1，0.189 7）.

2）層次總排序

令目標(biāo)層關(guān)于方案層的權(quán)重矩陣C=則層次總排序為

可得W=(0.6470,0.2365,0.1165)，即激光功率、掃描速度和搭接率相對合理的加工工藝參數(shù)權(quán)重分別為0.647 0、0.236 5 和0.116 5.

2 正交試驗

2.1 試驗材料

本試驗選擇45 鋼為基體，試樣尺寸為φ50 cm×12 cm 的圓柱體，試驗前用砂紙打磨試樣表面去除氧化層，并且用超聲波清洗機在丙酮中清洗去除油污.Ni60 合金粉末進(jìn)行烘干處理（120℃，保溫1 h），用聚乙烯醇膠水將粉末預(yù)置在試樣表面，粉末厚度為1 mm，保護(hù)氣體為氬氣，氣流量為15 L/min.Ni60 合金粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表3.

表3 Ni60 合金粉末主要化學(xué)成分Table 3 Main chemical composition of Ni60 alloy powder %

2.2 試驗設(shè)備與方法

激光熔覆試驗設(shè)備包括5 kW 光纖激光加工系統(tǒng)（IPG5000，波長1 025～1 080 nm，光斑直徑5 mm）、ABB 機器人、冷卻系統(tǒng)等.設(shè)計三因素三水平的正交試驗，選取因素為激光功率（A1）、掃描速度（A2）、搭接率（A3），試驗工藝參數(shù)見表4.因為激光光斑的直徑較小，無法獲得大面積的熔覆層，所以需要通過搭接來實現(xiàn).合適的搭接率是熔覆層良好成形的關(guān)鍵.橫向搭接激光熔覆截面示意圖如圖2 所示.

圖2 搭接示意圖Fig.2 Schematic diagram of lap joint

表4 激光熔覆試驗工藝參數(shù)Table 4 Process parameters of laser cladding test

搭接率f為兩個相鄰單道熔覆層重疊的寬度d與單道熔覆層寬度W的比值；D為相鄰兩道次激光熔覆時激光束沿掃描方向垂直移動的距離.搭接率的計算公式為.

2.3 正交試驗結(jié)果與分析

針對正交試驗的設(shè)計方案，選取熔覆層表面的平均顯微硬度（B1）和磨損量（B2）為優(yōu)化目標(biāo)，見表5.采用極差分析不同水平與因素對熔覆層成形質(zhì)量影響的顯著性，見表6、表7.一般各列極差不相等說明各因素的水平改變對試驗結(jié)果的影響不相同，極差最大的那一列就是因素的水平對試驗結(jié)果影響最大的因素，所以對于平均顯微硬度和磨損量，各因素從主到次的順序為激光功率、掃描速度、搭接率.優(yōu)化方案中各因素最優(yōu)水平的確定與試驗指標(biāo)有關(guān)，若指標(biāo)越大越好，則應(yīng)選取使指標(biāo)大的水平；反之，則應(yīng)選取使指標(biāo)小的那個水平.對于硬度(HV)因素，指標(biāo)值越大越好；對于磨損量因素，指標(biāo)值越小越好，所以優(yōu)化方案為激光功率3 kW，掃描速度12 mm/s，搭接率45%.

表5 正交試驗結(jié)果Table 5 Orthogonal test results

表6 顯微硬度極差分析Table 6 Range analysis of microhardness range

表7 磨損量極差分析Table 7 Range analysis of wear range

2.3.1 熔覆層宏觀和微觀形貌分析

選擇最佳工藝參數(shù)試樣10 和硬度最低的工藝參數(shù)試樣7 進(jìn)行分析，如圖3 所示.試樣10 的表面形貌比試樣7 的表面形貌規(guī)整均勻，并且在試樣7 的表面存在明顯的裂紋.熔覆層裂紋是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用的結(jié)果，在激光熔覆過程中存在較大的溫度差，使得組織轉(zhuǎn)變不可能同時進(jìn)行和完成，會在試樣內(nèi)外部產(chǎn)生不均勻的變形，從而產(chǎn)生組織應(yīng)力，不均勻的變形宏觀體現(xiàn)在激光熔覆試樣表面會出現(xiàn)“波浪狀”的形貌，微觀體現(xiàn)在組織的晶粒大小不一樣.宏觀裂紋通常起源于熔覆層和基體結(jié)合處，然后貫穿熔覆層到達(dá)表面.沿著激光掃描方向的拉引力最大，所以裂紋通常垂直于激光的掃描方向.宏觀裂紋主要是由材料之間的熱物理性能差異、熔覆過程中不均勻的物理場以及產(chǎn)生的局部塑性變形等引起的.選擇合理的激光熔覆工藝參數(shù)可以在很大程度上減輕熔覆層裂紋的開裂傾向.

圖3 試樣宏觀形貌分析Fig.3 Analysis of macromorphologies for samples

利用金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察分析，如圖4 所示.由圖可見，熔覆層與基體有良好的冶金結(jié)合，熔覆層致密無氣孔和裂紋等缺陷.從結(jié)合處向熔覆層方向可以看出，結(jié)晶由胞狀晶向樹枝晶發(fā)展，在熔覆層底部形成向外生長的胞狀晶，隨著凝固過程的進(jìn)行，結(jié)晶速度變大，成分過冷增加，開始向樹枝晶發(fā)展，晶粒得到細(xì)化.這是因為激光熔覆工藝具有快速加熱和冷卻的特點，熔池有很高的過冷度和冷卻速度.

圖4 試樣10 熔覆層顯微組織Fig.4 Microstructure of cladding layer for sample 10

2.3.2 熔覆層摩擦磨損的特性分析

試樣10 和45 鋼打磨拋光后用無水乙醇超聲波清洗，設(shè)備使用HT?1000 磨損試驗機，45 鋼基體與試樣10 熔覆層的摩擦因數(shù)如圖5 所示.在摩擦磨損試驗初期，試樣表面經(jīng)過打磨拋光后平整光滑、粗糙度小、摩擦阻力小，所以摩擦因數(shù)較低.隨著試驗時間的增加，磨損加重，試樣表面出現(xiàn)溝槽，對磨球起到阻礙作用，摩擦因數(shù)增大[8].

由圖5 可知，摩擦磨損試驗都經(jīng)歷跑合階段和穩(wěn)定階段，隨著試樣表面磨損，對磨球和試樣之間的接觸面積逐漸增大，摩擦副之間的接觸狀態(tài)已經(jīng)由點與面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊媾c面接觸，試樣表面應(yīng)變硬化，表面形成牢固的氧化層，5 min 后摩擦因數(shù)曲線顯示磨損已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定階段，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定.熔覆層表面硬度較高，與GCr15 對磨球硬度相差較小，起到一定的強化作用.摩擦因數(shù)穩(wěn)定階段，45 鋼基體的平均摩擦因數(shù)為0.53，試樣10 的平均摩擦因數(shù)為0.48，熔覆層的平均摩擦因數(shù)比基體低9.43%.材料的磨損失重分析如圖6 所示.由圖可見，45 鋼磨損失重為204×10?4g，試樣10 磨損失重為164×10?4g，45 鋼磨損失重比試樣10 磨損失重高.這是因為45 鋼在摩擦磨損試驗中發(fā)生黏著磨損，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來，造成45 鋼表面材料的損失.

圖5 45 鋼和試樣10 的摩擦因數(shù)Fig.5 Friction coefficient of steel 45 and sample 10

圖6 45 鋼和試樣10 的磨損失重Fig.6 Wear and lost weight of 45 steel and sample 10

材料磨痕圖如圖7 所示.由圖可見，45 鋼基體表面發(fā)生輕微的塑性變形并且存在平行于磨削方向的犁溝、少量凸起的磨屑和不規(guī)則的凹坑.這是因為在摩擦磨損試驗中，試樣與對磨球之間快速摩擦，在接觸應(yīng)力的作用下接觸區(qū)域發(fā)生塑性變形，同時試樣與對磨球黏合，在相對切向運動持續(xù)進(jìn)行時，黏著點被迫撕裂和分離，產(chǎn)生磨屑和凹坑，磨屑沒有及時排出而發(fā)生磨粒磨損，產(chǎn)生了深淺不一的犁溝，45 鋼基體的磨損主要為黏著磨損和磨粒磨損.熔覆涂層中發(fā)生細(xì)晶強化，進(jìn)一步提高熔覆涂層的硬度，提升其抗磨性.試樣10 熔覆層磨痕表面存在大小不一的顆粒，摩擦過程中形成的犁溝較淺，黏著區(qū)較少，磨損形式為磨粒磨損.

圖7 材料磨痕圖Fig.7 Material wear trace patterns

2.3.3 熔覆層顯微硬度分析

試驗設(shè)備采用HXD?1000，在顯微硬度儀下從熔覆層頂部向基材方每隔0.1 mm 打點測量熔覆層硬度，為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個水平層橫向取3 個點測量試樣硬度，求其平均值以控制誤差.施加0.3 kg 載荷，持續(xù)時間15 s，得到熔覆層顯微硬度如圖8 所示.由圖可見，顯微硬度從熔覆層頂部到基體逐漸降低，Ni60 熔覆層最高硬度為843.9，而沒有經(jīng)過激光熔覆的45 鋼顯微硬度為275.9，前者是后者硬度的3 倍.

圖8 試樣10 熔覆層顯微硬度Fig.8 Microhardness of cladding layer for sample 10

3 結(jié)語

1）基于層次分析法，以熔覆層質(zhì)量為目標(biāo)，以熔覆層表面硬度和磨損量評價指標(biāo)建立評價模型，并運用正交試驗設(shè)計方法對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到對熔覆層質(zhì)量影響由大到小的工藝參數(shù)依次為：激光功率、掃描速度、搭接率.優(yōu)化工藝參數(shù)組合為：激光功率為3 kW，掃描速度為12 mm/s，搭接率為45%.

2）通過對熔覆層的表面形貌、金相組織、摩擦系數(shù)和顯微硬度進(jìn)行分析，熔覆層表面形貌良好、無氣孔和裂紋等缺陷，耐磨性有所提高，摩擦因數(shù)比45 鋼低9.43%.硬度有較大的改善，熔覆層的硬度是基體的3 倍.