激光功率對Ni25超聲激光熔覆外觀及組織的影響1

符寶鼎,李金華

（遼寧工業(yè)大學(xué)機械工程與自動學(xué)院，遼寧 錦州121001）

1 引言

激光熔覆是將熔覆層粉末和基材表面的基體材料通過激光進行高能量快速照射，使其二者熔化成熔池，并在一段時間內(nèi)凝固成冶金結(jié)合。涂層的外觀及組織在熔覆過程中受激光功率大小影響，具有不同的特性，探究其對整個熔覆過程的影響特性對于指導(dǎo)熔覆過程意義較大［1-2］。

文獻［3］探究了激光功率對Ni基涂層外觀、硬度及裂紋等特性的影響，文獻［4］分析了激光功率對Ni基WC熔覆層外觀、硬度、顯微組織等性能的影響，文獻［5］分析了激光功率對Ni基WC涂層耐磨性和裂紋等性能的影響。這些研究均是在常規(guī)實驗中進行的基礎(chǔ)研究，且缺乏對晶粒大小的細(xì)致分析。同時，激光熔覆過程中熔覆層的冷熱快速變化，容易使其產(chǎn)生有較多的裂紋、氣孔，且晶粒粗大。而超聲振動是一種外加物理場處理技術(shù)，能夠起到除氣、細(xì)化晶粒、均勻組織成分等作用，是改善金屬凝固、提高其組織力學(xué)性能的有效方法之一。如果在激光熔覆過程中輔以超聲振動作用于熔覆層，可以較好地改善熔覆層質(zhì)量。文獻［6］通過施加超聲振動使激光熔覆Ni60WC25時細(xì)化了熔覆層的組織結(jié)構(gòu)，讓合金元素的分布均勻化，使且表面硬度得到了提高；李美燕、韓彬等通過施加超聲振動使激光熔覆Ni55涂層組織的晶粒更細(xì)小，耐磨性也得到明顯提高。但這些研究均沒有在同步超聲振動的情況下分析激光功率對熔覆層的影響特性，將兩者有機結(jié)合起來，可以較好的提高熔覆層各方面性能。從優(yōu)化激光功率出發(fā)分析了功率對超聲激光熔覆Ni25的影響，為進一步提供熔覆層質(zhì)量及細(xì)化晶粒提供了一定的參考［5-8］。

2 超聲振動對金屬結(jié)晶過程的影響

2.1 空化作用

超聲波在金屬液體介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生較強的高頻振動，對液體介質(zhì)產(chǎn)生交替拉壓作用，造成在超聲負(fù)壓相來臨時，液體介質(zhì)被“撕開”，形成低壓空化泡；而負(fù)壓相來時，空化泡快速閉合，這種空化泡在液體介質(zhì)中產(chǎn)生或閉合的現(xiàn)象即為空化作用［2-3］。

根據(jù)Neppiras推導(dǎo)出的空化泡閉合潰陷時的最大壓力和最高溫度計算公式：

式中：T0—環(huán)境溫度；Pm—空化泡潰陷瞬間液體內(nèi)壓力；γ—空化泡內(nèi)氣體的比熱容；P0—為初始空化泡內(nèi)壓力。

以常溫常壓下的水為例，Tmax大約為4000K，Pmax接近100 MPa，可見，液體介質(zhì)受空化作用的影響非常大［2-3］。

2.2 超聲振動過冷度的影響

金屬熔體介質(zhì)在受到超聲作用時會產(chǎn)生周期性的聲壓和應(yīng)力，由此產(chǎn)生對金屬凝固組織的細(xì)晶效應(yīng)。一般情況下，聲壓P為超聲頻率和振幅的函數(shù)，可用式子表示為：

式中：f—超聲頻率，Hz；ρ—金屬液體密度，KG/m3；c—超聲波在金屬液體中的傳播速度，m/s；v—質(zhì)點位移速度，m/s；Pm—聲壓幅值，Pa；A0—超聲振幅，m。

金屬結(jié)晶的理論結(jié)晶溫度一般是高于起始溫度的，二者溫度之差稱為過冷度［4］。

根據(jù)克拉伯農(nóng)方程，可得到如下關(guān)系式：

式中：Tm—理論結(jié)晶溫度，K；ΔH—相變潛熱，J/kg；ΔV—體積變化，m3；dP—壓力的變化，Pa；dT—凝固點的變化，K。整理公式五可得：

由公式（6）可得出超聲對過冷度的影響規(guī)律：

聯(lián)立式（2）、式（4）、式（7）可得：

金屬熔液的過冷度ΔT=ΔT0+ΔTm，其中ΔT0為無超聲振動時的過冷度，ΔTm為超聲振動引起的過冷度。在（8）式中，除A0、f外，其他參數(shù)均為定值，ΔTm只與超聲頻率f和振幅A0有關(guān)，頻率和振幅增大，超聲振動引起的過冷度即增大，從而增大總體的過冷度，這種變化可以增加形核數(shù)及細(xì)化晶粒［7-9］。

2.3 超聲振動對金屬晶粒長大過程的影響

超聲振動的空化作用產(chǎn)生大量的空化泡，空化泡在晶粒間不斷擴大，潰破時產(chǎn)生瞬間的高溫高壓，會擊碎正在長大的枝晶，形成大量細(xì)小枝晶，并均勻分散到熔池各個部位，大大增加了晶核數(shù)，從而使晶粒尺寸得到細(xì)化［8］。

3 試驗材料及方法

3.1 試驗材料

基體采用H13熱作模具鋼，尺寸60mm×40mm×8mm，熔覆層材料為Ni25。熔覆前首先對基體材料進行打磨，再用酒精和丙酮清除其表面油污。

3.2 實驗設(shè)備

激光熔覆器由激光器、同步送粉器、機械手、熔覆送粉頭共同組成，其中采用YLR-3000型IPG光纖激光器、FHPF-10型同步送粉器、6軸KR30機械手及其攜帶的PERCITEC YC52熔覆送粉頭。測試系統(tǒng)采用MR5000倒置金相顯微鏡觀察金相組織。熔覆參數(shù)，如表1所示。送粉氣體和保護氣體為N2。

表1 激光熔覆參數(shù)Tab.1 Laser Cladding Parameters

3.3 實驗參數(shù)及方法

超聲波發(fā)生器頻率范圍為30KHz，由于熔覆過程中熔池較小，超聲波在空氣中傳輸效率低等原因，試驗時以45鋼為基體制作超聲傳導(dǎo)裝置，將超聲波導(dǎo)入傳輸?shù)饺鄢?。為保證超聲波的作用效果，熔覆前15S啟動超聲發(fā)生器后，熔覆結(jié)束后30S超聲波作用。試驗時分別采用施加超聲振動和不施加超聲振動兩種狀態(tài)開展，并在各自狀態(tài)中采用相同的激光功率變化規(guī)律進行熔覆。

熔覆過程中的工藝參數(shù)，如表2所示。

表2 實驗參數(shù)Tab.2 Experimental Parameters

為試驗過程所使用的超聲振動系統(tǒng)。其中超聲發(fā)生器功率為（600～900）W，頻率為（28～42）KHz，如圖1所示。

圖1 超聲發(fā)生器及超聲傳遞裝置Fig.1 Ultrasonic generator and ultrasonic transmission device

4 激光功率對Ni25超聲激光熔覆的影響

4.1 不同功率下熔覆層外觀變化

如圖2所示，（a）～（d）為無超聲振動時激光功率分別為1100W、1300W和1500W時熔覆層的外觀形貌。由圖可以看出：激光功率變大，熔覆層表面浮渣減少，金屬光澤變得明顯，當(dāng)P為1500W時達到最佳，當(dāng)繼續(xù)增加到1600W時發(fā)現(xiàn)熔覆層出現(xiàn)了過燒，說明此時溫度過高，金屬顆粒被燒焦。由此得出結(jié)論：當(dāng)激光功率為1500W時，進行Ni25激光熔覆可獲得最佳的表面質(zhì)量。

圖2 熔覆層外觀Fig.2 Cladding Appearance

如圖2所示，（e）～（g）為在激光功率依次為1100W、1300W和1500W，再施加30kHz的超聲振動時熔覆層的外觀形貌。此時熔覆層周圍的浮渣相比無超聲振動時大大減少，且表面平坦光滑。

4.2 不同激光功率下熔覆層高度、寬度及熔池深度的變化

如圖3所示；（a）～（g）為在不同激光功率和超聲頻率下，Ni25超聲熔覆斷面形貌。

如表3所示；在對應(yīng)參數(shù)下成形后的熔覆層高度H、深度h、H/h，以及熔覆層寬度W，表中P為激光功率，f為超聲頻率。

結(jié)合圖3和表3可看出，在未施加超聲振動時：

表3 超聲激光熔覆Ni25成形數(shù)值Tab.3 Ultrasonic Laser Cladding Ni25 Forming Values

圖3 不同激光功率下熔覆層斷面形貌Fig.3 Surface Profiles of the Cladding Layer Under Different Laser Powers

（1）熔覆層高度逐漸降低。這主要是因為當(dāng)送粉量一定時，隨著功率P的增加，材料所吸收的熱量越來越多，融化程度越來越好，金屬流動性增加，材料越來越致密，氣孔明顯減少變小，從而引起熔覆層高度的降低。

（2）熔池深度增加。保持掃描速度不變，當(dāng)激光功率變大時，基體吸收的熱量也增大，而送粉量固定，從而使得熔池深度增加。

（3）熔覆層寬度增加。隨著激光功率的增大熔覆層寬度也不斷增大，且接近平緩。這是因為激光功率低，基體吸收的照射能量就低，導(dǎo)致熔池的規(guī)模小寬度窄；激光功率高，基材單位面積吸收的能量相對也高，因而熔池表面積變大，粉末下降過程中吸收的能量增加，鋪開在熔池表面，近而使得熔覆層寬度增加［10-12］。

當(dāng)施加30kHZ的超聲振動，在激光功率分別為1100W、1300W和1500W（取消P=1600W，因為在沒有施加超聲振動時，出現(xiàn)了材料焦化的現(xiàn)象，溫度過高，整體效果不好，后續(xù)均不作研究）時發(fā)現(xiàn)：隨著激光功率的變大，熔覆層的高度會進一步下降、熔池深度和熔覆層寬度均增加，且在激光功率為1500W時，熔池有進一步往下大幅度增加的趨勢。同時，在所有功率對應(yīng)的熔覆層中，均沒有氣泡和裂紋產(chǎn)生。

分析原因，主要是因為金屬液體可以承受較大的壓應(yīng)力，但在受到拉應(yīng)力時，易被撕開。當(dāng)超聲在金屬液體中傳播時，強烈的高頻振動使金屬液體交替地受到拉壓，產(chǎn)生空化作用。

由于超聲的空化作用，金屬熔融過程中夾雜的氣泡會被快速撕碎，從而消除了氣泡，使得金屬材料層更加致密，從而降低了熔覆層的高度；超聲振動時金屬液體受熱相對均勻，熔池內(nèi)的熱量比無超聲振動時相對增加，從而使熔池深度增加，并且避免了較大的溫度梯度，減少了裂紋的出現(xiàn)；熔池深度增加的同時隨著能量蔓延，熔覆層的寬度亦增加。

綜上，未施加超聲振動時，如果激光功率變大，熔池深度、寬度也大，熔覆層的高度下降，且氣孔明顯減少減小。加入超聲振動時，以上變化趨勢更為明顯。

4.3 實驗結(jié)果分析

在金相顯微鏡下不同激光功率對應(yīng)的熔覆層顯微組織如圖4所示；（a）～（c）可看出：激光功率設(shè)定為1100W和1300W時，熔覆層組織多為柱狀晶，且尺寸相對較小，當(dāng)功率增量密度低，金屬粉末受熱不均且熱量小，由粉末傳至基板的能量小，透過粉末照射入基板的激光能量密度也較小，因而熔池淺，又由于基板周圍具有良好的散熱性，所以枝晶在冷卻凝固過程中來不能充分長大，形成的枝晶較為細(xì)??；隨著激光功率的增大，粉末受熱均勻且熱量較大，因而熔池較深，枝晶生長過程中能充分長大，因此，熔覆層的組織增大轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪罹?，最后進一步轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶［13-18］。

從圖4（d）～（f）可看出：在每個功率值下，施加超聲振動以后，熔覆層組織都比未施加超聲振動的細(xì)密，這主要是因為超聲振動在金屬凝固過程中使熔液形成空化泡，空化作用產(chǎn)生的高溫高壓會使初生晶體和的結(jié)晶組織受到破壞，打碎熔池內(nèi)原有的方向性較強的柱狀晶，產(chǎn)生了細(xì)小的晶核，并被均勻分散到不同部位，使形核率得到提高，從而起到了細(xì)化熔覆層組織的作用。

圖4 激光功率對熔覆層顯微組織的影響Fig.4 Effect of Laser Power on Microstructure of Cladding Layer

從圖可看出：無論有無超聲，熔覆層和基體結(jié)合區(qū)均為平面晶，呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。

無超聲時，熔覆層底部為方向性較強且粗大的樹枝晶，熔覆層中部開始向較小較規(guī)則的柱狀晶和胞狀晶轉(zhuǎn)變，在頂部幾乎全部變成了細(xì)小且均勻的胞狀晶。

在施加30kHz的超聲后，熔覆層組織變化較為明顯，結(jié)合區(qū)仍為平面晶，但熔覆層底部已經(jīng)由粗大的樹枝晶和柱狀晶變成了較為細(xì)小的胞狀晶，且相對較為均勻。在中部的晶粒也變得更加細(xì)小均勻。這主要是由于超聲的空化作用使正在長大的結(jié)晶組織受到?jīng)_擊破碎，打破了柱狀組織原有的方向性，形成細(xì)小晶核均勻的分散至熔池各個部位。但在熔覆層頂部組織又繼續(xù)增大，且形狀各異，分析原因是因為30KHz的超聲頻率產(chǎn)生的振幅不足以充分傳遞頂部，導(dǎo)致頂部組織幾乎呈現(xiàn)為無超聲振動的樣貌，這種情況可通過增加超聲頻率的方式來改善。

通過SEM觀察了結(jié)合面處、熔覆層中間和頂部之間的組織差異，進一步分析了在最佳功率值1500W時，超聲振動對熔覆層微觀組織的影響，如圖5所示。

圖5 有無超聲時SEM下熔覆層顯微組織Fig.5 Microstructure of the Cladding Layer Under SEM With or Without Ultrasound

5 結(jié)論

通過在不同激光功率下在H13基板上對Ni25金屬粉末進行常規(guī)的和施加超聲振動的激光熔覆可得出以下結(jié)論：

（1）激光功率增大，熔覆層表面浮渣相應(yīng)會減少，金屬光澤越來越明顯，當(dāng)P為1500W時達到最佳，當(dāng)繼續(xù)增加到1600W時熔覆層出現(xiàn)了過燒，說明激光功率為1500W時最適宜。

（2）隨著激光功率的增加，熔覆層高度下降，熔池深度及熔覆層寬度均增加；在同樣激光功率下，有超聲振動時各個數(shù)值的增加量比無超聲振動時更大；

（3）隨著激光功率的增加，熔覆層組織變得細(xì)小均勻，從小功率時粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小均勻的胞狀晶；在激光功率不變時，同步施加超聲振動時的顯微組織比無超聲振動時更細(xì)小，功率同為1500W時，有有超聲振動時掃描電鏡下熔覆層底部、中部及上部的組織細(xì)小及均勻性比無超聲振動時更好，且晶界明顯減小。