激光同軸送粉熔覆工藝特性研究

韓顯柱，楊義成，張彥東，黃瑞生，王慶江，方乃文

1.中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司 河北秦皇島 066206

2.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

3.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司 北京 100044

4.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150028

1 序言

近年來(lái)，增材制造技術(shù)作為傳統(tǒng)減材制造工藝的完善和補(bǔ)充，在高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)和成形制造等方面技術(shù)優(yōu)勢(shì)越發(fā)凸顯[1，2]。激光同軸送粉增材制造技術(shù)作為大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件高質(zhì)量直接沉積制造不可或缺的主流工藝方法，制造過(guò)程涉及復(fù)雜的多因素、多流場(chǎng)之間的相互耦合，深刻理解該工藝涉及到的關(guān)鍵工藝過(guò)程并加以控制，是優(yōu)化和促進(jìn)該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)[3，4]。例如，相關(guān)研究表明，粉末束流從環(huán)形同軸噴嘴送出后，其空間分布特征，即粉末束流的匯聚性會(huì)直接影響到熔覆層的尺寸特征，進(jìn)而對(duì)增材制造效率和構(gòu)件的成形質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[5-6]。

激光熔覆技術(shù)廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜零部件的修復(fù)和直接近凈成形[7-11]。修復(fù)和直接近凈成形零部件的關(guān)注點(diǎn)略有不同，修復(fù)除了主要考慮基體和熔覆層之間的界面結(jié)合強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求，同時(shí)兼顧對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸和精度的要求；還對(duì)零部件直接進(jìn)行近凈成形、力學(xué)性能，對(duì)結(jié)構(gòu)幾何尺寸的完整性和精度要求同樣十分嚴(yán)格[12]。而為了提高單道多層或多道多層熔覆過(guò)程制備零部件的精度，有必要系統(tǒng)地分析激光熔覆槍抬升量和單道熔覆層高度之間的關(guān)系及其對(duì)熔覆制造過(guò)程的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用粉末顆粒為采用氣霧化法制備的08Cr19Mn6Ni3Cu2N不銹鋼球形粉末，其原始粒度介于45～100μm之間。送粉器為德國(guó)GTV公司生產(chǎn)的雙料斗載氣式，型號(hào)為MF-PF2/2，送粉熔覆頭為德國(guó)Fraunhofer公司生產(chǎn)的高精度同軸環(huán)形噴嘴，型號(hào)為COAX-40-S/F，粉末束流的理論焦點(diǎn)位置為6.8mm（見(jiàn)圖1）。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意

2.2 試驗(yàn)方法

為了有效評(píng)價(jià)關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)多層搭接熔覆層成形特征的影響規(guī)律，選取熔覆層高度、“溝壑”深度、潤(rùn)濕角等為特征值，具體特征尺寸如圖2所示，其中bi為第i道熔覆層的高度，潤(rùn)濕角θ為熔覆層和基體之間的潤(rùn)濕角大小，w為熔覆層的總寬度。

圖2 熔覆道搭接特征尺寸的說(shuō)明

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單道熔覆層成形規(guī)律研究

單道熔覆層是多道多層熔覆的基礎(chǔ)。對(duì)于單道多層熔覆而言，單道熔覆層的高度決定著制造的效率，寬度決定著薄壁件的壁厚。而對(duì)于多道多層熔覆，考慮到道與道之間的搭接，單道熔覆層的寬度及潤(rùn)濕角是主要考慮的特征參數(shù)。因此，有必要系統(tǒng)地研究不同工藝參數(shù)對(duì)單道熔覆層特征尺寸的影響。

在不同離焦量下，激光功率對(duì)熔覆層寬度的影響規(guī)律如圖3所示。由圖3可以看出，在離焦量不變的情況下，激光功率增加，熔覆層寬度提升，功率＞0.6kW時(shí)，熔覆層寬度隨光斑尺寸變大而逐漸變大，當(dāng)激光功率＜0.5kW時(shí)，離焦量為+15mm時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)離焦量提高到+18mm時(shí)略有下降；當(dāng)離焦量為+20mm時(shí)最小。這說(shuō)明，提高離焦量和增加功率都可以提高熔覆層的寬度，但是二者之間必須匹配，使功率密度達(dá)到合適的范圍才有效。

圖3 不同離焦量下熔覆層寬度隨激光功率的變化

同樣，圖4所示的是不同離焦量下熔覆層高度隨激光功率的增加而變化的情況。與圖3對(duì)比可以看出，離焦量對(duì)熔覆層寬度的影響規(guī)律與對(duì)高度的影響規(guī)律恰好相反，在同一激光功率的情況下，離焦量越大熔覆層的高度越小。而離焦量不變時(shí)，激光功率對(duì)熔覆層高度的影響規(guī)律與對(duì)熔覆層寬度的影響規(guī)律一致。

圖4 不同離焦量下熔覆層高度隨激光功率的變化

從功率對(duì)熔覆層特征尺寸的影響規(guī)律可以看出，當(dāng)功率密度合適的情況下，離焦量越大，熔覆層寬度隨之增加，但是熔覆層的高度逐漸下降。熔覆層形貌上的表現(xiàn)就是其輪廓線(xiàn)和基體之間的夾角較小，把這個(gè)夾角稱(chēng)之為熔覆層和基體之間的潤(rùn)濕角，其隨離焦量的變化規(guī)律如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著離焦量的增加，熔覆層的潤(rùn)濕角逐漸減少，說(shuō)明熔覆層輪廓線(xiàn)變化的趨勢(shì)越來(lái)越平緩，這對(duì)于多道多層熔覆而言有著重要的意義。

圖5 潤(rùn)濕角和離焦量之間的關(guān)系

3.2 搭接率對(duì)成形質(zhì)量的影響

激光同軸送粉加工技術(shù)應(yīng)用于多道多層熔覆成形時(shí)，對(duì)熔覆層的成形質(zhì)量要求較高，搭接率是影響熔覆層表面平整度、層與層之間是否形成空洞、夾雜、裂紋等的關(guān)鍵因素。在實(shí)際熔覆的過(guò)程中，不同搭接率對(duì)熔覆層表面形貌的影響可分為以下三種情況：一是搭接率過(guò)小造成的道與道之間存在“溝壑”；二是搭接率過(guò)大時(shí)，會(huì)使后一道熔覆層最高點(diǎn)高于前一道熔覆層的最高點(diǎn)，從而造成傾斜現(xiàn)象；三是只有當(dāng)搭接率合適時(shí)，道與道之間較為平整。因此，為了確定合適的搭接率，建立了激光同軸送粉熔覆道與層之間的搭接率優(yōu)化模型。本模型建立的前提有兩個(gè)基本的假設(shè)：①每一熔覆層的橫截面為圓的一部分，且面積相等。②熔覆層最高點(diǎn)位置一致，搭接層和被搭接層之間的成形為最高點(diǎn)的連線(xiàn)，搭接點(diǎn)以后的成形和未搭接時(shí)該點(diǎn)以后的成形規(guī)律一致，臨界搭接率理論模型如圖6所示。

圖6 搭接率模型的建立

通過(guò)對(duì)激光同軸送粉理想搭接率模型的分析可以看出，要想獲得表面平整的熔覆層，必須滿(mǎn)足式（1）或式（2）：

由幾何關(guān)系可知：

由式（3）和式（4）可知：

由此，通過(guò)式（4）～式（6）的計(jì)算可知，搭接率大小只與熔覆層的寬度和高度有關(guān)。設(shè)定熔覆層的寬度分別為1mm、2mm、3mm和4mm，通過(guò)對(duì)上述3個(gè)公式的求解可以得到不同熔覆層寬度和高度所需的臨界搭接率，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同熔覆層特征尺寸對(duì)應(yīng)的搭接率

通過(guò)對(duì)圖7的分析可以看出，熔覆層高度一定時(shí)，熔覆層寬度增加，搭接率提升，而當(dāng)熔覆層寬度一定時(shí)，熔覆層高度增加，搭接率的數(shù)值逐漸降低。值得注意的一點(diǎn)是，熔覆層寬度越大，臨界搭接率隨熔覆層高度的變化趨勢(shì)越平緩，這也意味著工藝本身適應(yīng)性的提高。因此，從控制過(guò)程穩(wěn)定性的角度考慮，在實(shí)際熔覆過(guò)程中，應(yīng)盡可能地選擇熔覆層較寬的工藝進(jìn)行多道多層熔覆。

激光同軸送粉加工技術(shù)搭接率模型的構(gòu)建對(duì)于科研人員優(yōu)化熔覆層的搭接率具有一定的指導(dǎo)意義。但是，在實(shí)際工藝執(zhí)行過(guò)程中，熔覆層的橫截面不是理想的圓弧狀，且搭接后前一道的成形對(duì)后一道的成形必然存在一定的影響。為了分析激光同軸送粉熔覆過(guò)程中，搭接率對(duì)熔覆層表面成形的影響，分析了兩道搭接時(shí)，不同搭接率對(duì)成形的影響規(guī)律，其結(jié)果如圖8所示。在搭接率＜30%時(shí)，前后兩道的熔覆層高度基本一致，道與道之間存在“溝壑”；當(dāng)搭接率＞40%時(shí)，后一道熔覆層的高度要明顯高于前一道熔覆層的高度，且這種差別隨搭接率的提高，趨勢(shì)越來(lái)越明顯。

圖8 兩道熔覆層搭接形貌

圖9 表示的是兩熔覆層搭接時(shí)，不同搭接率對(duì)搭接層（第2道熔覆層）高度的影響規(guī)律。從圖9可以看出，隨搭接率的提高，搭接熔覆層的高度逐漸增加，當(dāng)搭接率超過(guò)50%時(shí)，變化的趨勢(shì)變得緩慢。這可能是由于當(dāng)搭接率達(dá)到一定值時(shí)，后一道熔覆層的激光輻照區(qū)主要作用在上一熔覆層的斜面上，這對(duì)熔池而言是不穩(wěn)定的，在凝固過(guò)程中一部分液態(tài)金屬向下流淌，減緩了高度的增加趨勢(shì)，搭接率越大熔池向下流動(dòng)的可能性就越大，因此熔覆層高度增加的趨勢(shì)逐漸減小。

圖9 兩道熔覆層高度變化情況

搭接率的變化也會(huì)造成基體上的熔深發(fā)生變化，同時(shí)搭接熔覆層潤(rùn)濕角隨之改變，其變化趨勢(shì)如圖10所示。當(dāng)搭接率＞30%時(shí)，熔覆層熔深隨著搭接率的提高逐漸降低，當(dāng)搭接率為70%時(shí)，熔覆層和基體幾乎為一條直線(xiàn)，肉眼很難分辨熔深大小。單道熔覆時(shí)，潤(rùn)濕角為50°左右，搭接率＜40%時(shí)，搭接道潤(rùn)濕角要小于單道熔覆時(shí)的潤(rùn)濕角，但是當(dāng)搭接率＞50%時(shí)，搭接道潤(rùn)濕角大于單道熔覆時(shí)的角度。從整個(gè)過(guò)程看，搭接道的潤(rùn)濕角隨著搭接率的提高不斷變大。

圖10 潤(rùn)濕角及熔覆層熔深和搭接率的關(guān)系

在上述分析的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行了搭接率為30%、40%、50% 、60%和70%時(shí)的20道搭接成形試驗(yàn)，表面形貌如圖11所示。由圖11可以看出，隨著搭接率的提高，表面“溝壑”的深度逐漸降低，平整度逐漸提高，同時(shí)熔覆層的高度也隨之增加。

圖11 不同搭接率對(duì)應(yīng)的熔覆層表面形貌

值得注意的是，隨著搭接率的提高，熔覆層和界面的結(jié)合深度逐漸降低，搭接率＞50%時(shí)，界面結(jié)合區(qū)肉眼很難分辨，這會(huì)存在兩方面的問(wèn)題值得深入研究：首先，對(duì)于激光熔覆表面改性而言，希望得到低的稀釋率，因此適當(dāng)提高搭接率會(huì)有所幫助；其次，如果搭接率過(guò)大，界面是否能夠達(dá)到真正意義上的冶金結(jié)合，滿(mǎn)足對(duì)修復(fù)強(qiáng)度的要求，這有待于進(jìn)一步分析研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）激光功率和離焦量是影響熔覆層寬度和高度的關(guān)鍵因素，離焦量增加，激光能量密度降低是熔覆層寬度減少、熔深變淺的主要影響因素。

2）建立了激光同軸送粉加工搭接率模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工藝優(yōu)化方向的預(yù)測(cè)，當(dāng)熔覆層寬度增加時(shí)，工藝穩(wěn)定性較好，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量熔覆層制備的基礎(chǔ)。

3）在單道工藝和多道搭接熔覆工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，搭接率設(shè)定為40%時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)熔覆層的高質(zhì)量制備。