激光熔覆原位合成TiC成形工藝參數(shù)優(yōu)化方法

曾嘉怡，練國富，褚夢雅，黃旭

激光熔覆原位合成TiC成形工藝參數(shù)優(yōu)化方法

曾嘉怡，練國富，褚夢雅，黃旭

（福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福州 350118）

針對激光熔覆原位生成TiC過程中成形質(zhì)量差、優(yōu)化手段少的問題，探究工藝參數(shù)對熔覆高寬比、稀釋率和面積的影響規(guī)律，實現(xiàn)熔覆質(zhì)量的預(yù)測與優(yōu)化。采用全因素試驗對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸，利用得到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，得到工藝參數(shù)對成形質(zhì)量指標(biāo)的作用規(guī)律，后通過NSGA–Ⅱ遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，并提出一種加權(quán)擇優(yōu)算法。得到的優(yōu)化工藝參數(shù)如下：激光功率為1 585.70 W，掃描速度為4.76 mm/s，粉末配比為1.02，驗證試驗所得實際值與預(yù)測值的誤差均小于10%，證明了優(yōu)化方法的準(zhǔn)確性。高寬比隨著激光功率和掃描速度的增大呈現(xiàn)降低的趨勢，高寬比隨著粉末配比的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；稀釋率與激光功率、掃描速度和粉末配比的交互作用呈現(xiàn)正相關(guān)；熔覆面積隨著激光功率的增大而增大，隨著掃描速度和粉末配比的增大而減小。研究結(jié)果能為激光熔覆原位合成TiC成形控制提供理論依據(jù)。

激光熔覆；原位合成；成形質(zhì)量；NSGA–Ⅱ多目標(biāo)優(yōu)化

激光熔覆是由激光能量束的熱輸入對材料進(jìn)行熔融加工以達(dá)到冶金結(jié)合的先進(jìn)增材制造方法，因其具有熔材選擇范圍大、對基材損耗小、制備熔覆層性能良好等優(yōu)點，在諸多工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1-4]。為了有效提升表面性能，在合金粉末中添加硬質(zhì)相強(qiáng)化熔覆層成為研究熱點之一。激光熔覆原位合成技術(shù)是利用不同元素或化合物在熔融狀態(tài)下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成增強(qiáng)相以改善性能的方法。原位法制備的增強(qiáng)相在金屬基體內(nèi)形核生長，具備熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、晶粒尺寸小、分布均勻、結(jié)合性好等優(yōu)點[5-7]。TiC作為一種高熔點、高硬度、高彈性模量的陶瓷材料，在熔覆層內(nèi)可作為硬質(zhì)支撐點提高硬度及耐磨性[8]。目前在激光熔覆原位合成TiC增強(qiáng)熔覆層方面，已有諸多國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。

Chen等[9]采用Ti和B4通過激光熔覆原位合成技術(shù)得到了TiC/TiB復(fù)合涂層，研究了熱處理對涂層顯微組織、殘余應(yīng)力、顯微硬度、斷裂韌性和耐磨性的影響，結(jié)果表明，涂層的平均殘余拉應(yīng)力隨著熱處理溫度的升高而降低，熱處理大大提高了涂層的耐磨性。Zhang等[10]研究了原位合成TiC對Ti6Al4V組織演變的影響，結(jié)果表明，TiC/Ti6Al4V復(fù)合涂層中α–Ti的平均晶粒尺寸明顯減小，這是由于TiC顆粒阻礙了晶粒長大，TiC顆粒能有效強(qiáng)化晶界，細(xì)化晶粒，形成大量亞晶界。Wei等[11]研究了TiC/Ti復(fù)合涂層的原位制備，原位增強(qiáng)體的形成使TiC/Ti復(fù)合涂層具備了硬度高、彈性良好和摩擦學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點。Arman等[12]利用脈沖激光在碳鋼上原位合成Fe–TiC硬質(zhì)層，結(jié)果表明，激光掃描速度的影響比脈沖持續(xù)時間更顯著，結(jié)果表明，制備的熔覆層的平均硬度比基材高8倍。Aramian等[13]通過選擇性激光熔化技術(shù)制備了原位TiC–NiCr金屬陶瓷，研究了激光能量密度對試樣組織、致密化、硬度和磨損性能的影響，結(jié)果表明，增加輸入能量密度可以改善耐磨性，在600 ℃時達(dá)到最低的磨損率和摩擦因數(shù)。

在研究TiC原位合成方面，現(xiàn)有的研究主要集中在材料性能，對在原位合成背景下的熔覆層幾何形貌建模分析的研究較少。單道熔覆層成形質(zhì)量的控制是激光熔覆實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，文中采用全因素試驗，探究不同激光熔覆工藝參數(shù)和碳鈦物質(zhì)的量比對單道成形幾何形貌的研究，揭示原位合成背景下碳鈦元素差異對熔覆層高寬比、稀釋率及面積的作用規(guī)律，并通過多目標(biāo)優(yōu)化得到單道原位合成工藝參數(shù)的優(yōu)化方法，為實際工業(yè)應(yīng)用提供參考依據(jù)和理論支持。

1 試驗

1.1 材料

選擇45#鋼為基體材料，尺寸為40 mm×20 mm× 10 mm（長×寬×高），熔覆粉末選擇Ni35A、Ti、C，3種粉末的平均粒徑為100 μm，其中Ti和C粉均為單質(zhì)粉末，單質(zhì)粉末純度大于99.9%。Ni35A粉末化學(xué)成分如表1所示。

1.2 設(shè)備

激光熔覆系統(tǒng)示意圖如圖1所示。激光熔覆系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：激光系統(tǒng)，包括激光器（YLS–3000，IPG，Germany）、PLC控制系統(tǒng)（SX14–012PULSE System，China）；熔覆系統(tǒng)，包括多自由度工業(yè)機(jī)器臂（M–710iC/50，F(xiàn)ANUC，Japan）、激光熔覆頭（FDH0273，Lasermech，America）；送粉系統(tǒng)，包括載氣式送粉系統(tǒng)（GZ–DPSF–2，China）；水冷系統(tǒng)，包括激光水冷卻機(jī)（TFLW– 4000WDR–01–3385，SHTF，China）。激光熔覆試驗過程中選用氬氣作為保護(hù)氣，保護(hù)氣流量為10 L/min。

表1 Ni35A化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of Ni35A wt.%

圖1 激光熔覆系統(tǒng)

采用激光熔覆同軸送粉工藝制備鎳基TiC復(fù)合涂層。試驗前使用無水乙醇清洗基體表面，將配置好的粉末置于行星球磨機(jī)（MITR，Changsha，China）球磨1 h，使粉末充分混合，隨后置于真空烘干機(jī)中，在120 ℃下烘干60 min，去除混合粉末內(nèi)的水分。熔覆完成后，對樣件進(jìn)行線切割、鑲嵌、打磨、拋光。制樣完成后使用顯微硬度計（MVA–402TS，HDNS–China）測量熔覆層硬度，使用掃描電鏡（High–Technologies TM3030Plus，Hitachi，Japan）測量熔覆層形貌，使用能譜儀（Model 550i，IXRF，America）測試元素成分及分布情況。

1.3 方法

在激光熔覆產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中，單道成形的質(zhì)量是多道搭接成形的重要基礎(chǔ)。高寬比是熔覆層形貌的重要表征。稀釋率（）是激光熔覆的重要指標(biāo)，稀釋率過低會存在熔覆層和基材結(jié)合性差的問題，稀釋率過高則會對基體造成損傷，因此需要對稀釋率進(jìn)行合理調(diào)控。熔覆層的熔覆面積（）越大則代表制造效率越高，可以更好地滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。為了全面、準(zhǔn)確地反映各因素對輸出主效應(yīng)和各階交互響應(yīng)的影響。文中通過建立三因素三水平全因素試驗，探究激光功率（）、掃描速度（）、粉末配比（）對成形質(zhì)量的影響。根據(jù)前期預(yù)試驗，激光功率選擇1 400、1 600、1 800 W，掃描速度設(shè)置為4、6、8 mm/s，粉末配比（碳鈦物質(zhì)的量的比值）設(shè)置為0.7、1.0、1.3。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的（Ti+C）原位粉末體系增強(qiáng)鎳基涂層，探究碳元素虧損或者碳元素盈余情況下熔覆成形的影響規(guī)律。

熔覆層示意圖如圖2所示，稀釋率的計算如式（1）所示。

式中：h為熔覆層高度；hDilution為稀釋區(qū)高度。

2 結(jié)果與分析

試驗方案及結(jié)果如表2所示。

表2 試驗方案及結(jié)果

Tab.2 Test scheme and results

續(xù)表2 試驗方案及結(jié)果

對試驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸建模分析，建立的數(shù)學(xué)回歸模型如式（2）—（4）所示，對應(yīng)的方差分析如表3所示。

表3 方差分析

Tab.3 Variance analysis

根據(jù)顯著性水平對工藝參數(shù)的顯著性進(jìn)行分析，值低于0.05即為顯著項?？梢钥闯?，激光功率、掃描速度、粉末配比均對高寬比有著顯著影響。對于稀釋率模型，激光功率為一階顯著項，掃描速度和粉末配比的交互項對模型存在顯著影響；對于面積模型，激光功率、掃描速度、粉末配比均低于顯著性水平，說明三者都對面積都有顯著影響，同時顯著項還包含掃描速度和粉末配比的交互作用。

2.1 高寬比

高寬比模型主效應(yīng)圖見圖3，由圖3可知，隨著激光功率和掃描速度的增大，高寬比呈現(xiàn)降低的趨勢，隨著粉末配比的增大，高寬比呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。原因在于，隨著激光功率的增大，單位時間內(nèi)熱輸入增多。保持送粉量一定，在更多激光能量的影響下，熔池對流作用顯著增強(qiáng)，熔滴的表面張力發(fā)生改變，熔池內(nèi)產(chǎn)生Marangoni流，增強(qiáng)了流動性[14]，熔滴呈現(xiàn)平坦化的趨勢，使熔覆層寬度增加[15]，故激光功率增大，高寬比有降低的趨勢。對于掃描速度，掃描速度的提高會減少激光與粉末的作用時間，從而減小粉末熔化量，進(jìn)而降低熔覆的高度[16]，高寬比呈現(xiàn)降低的趨勢。隨著粉末配比的增加，熔覆層的高寬比呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。這是因為生成TiC需要更多的能量，碳元素較少的情況下TiC的生成量變少，更多的能量輸入有利于熔池流平，熔覆層寬度增大。但隨著碳元素的進(jìn)一步增多，在碳元素的高溫擴(kuò)散作用下，TiC生成量增多[17]，由于TiC生成過程是一個放熱過程，這有助于頂端熔覆層的增加，熔覆層高寬比有略微上升的趨勢。

圖3 高寬比模型主效應(yīng)圖

2.2 稀釋率

稀釋率模型主效應(yīng)圖見圖4，可以看出，稀釋率與激光功率、掃描速度、粉末配比均呈現(xiàn)正相關(guān)。隨著激光功率的增加，粉末熔化后多余的激光能量集中作用于稀釋區(qū)。同時，在熔滴表面熱梯度的影響下[18]，熔滴產(chǎn)生了更大的表面積，形成了更大的接觸范圍，增大了熱稀釋范圍。在激光功率和熔滴面積的綜合作用下，稀釋率呈現(xiàn)出上升的趨勢。

圖4 稀釋率模型主效應(yīng)圖

圖5為稀釋率模型下掃描速度與粉末配比交互作用的曲面圖。可以看出，隨著掃描速度以及粉末配比的增加，稀釋率呈現(xiàn)出增加趨勢。這是由于掃描速度增大，單位面積內(nèi)獲得的粉末量減小，熔池用于熔化粉末的能量減小，熔覆層高度變低[19]，更多的能量作用于稀釋區(qū)。同時隨著粉末配比的增大，單位時間內(nèi)熔池存在的碳元素增多，TiC成核和生長的現(xiàn)象增多[20]。原位合成TiC的化學(xué)過程是放熱反應(yīng)[21]，會導(dǎo)致鏈?zhǔn)叫?yīng)生成更多的TiC。在稀釋區(qū)內(nèi)，多余的激光能量和較多的反應(yīng)放熱導(dǎo)致稀釋率增加。

圖5 稀釋率與掃描速度和粉末配比的曲面圖

2.3 面積

面積模型主效應(yīng)圖見圖6，由圖6可知，隨著激光功率的增大，面積呈現(xiàn)上升的趨勢。這是因為單位時間內(nèi)激光作用在熔池的能量增大，金屬粉末熔融量增多，熔池面積增大；隨著掃描速度的增大，激光作用在熔池的時間減小，單位熔化的粉末量減小，熔覆層面積減?。浑S著粉末配比的增加，熔覆層的面積呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，這是因為隨著粉末配比的增加，生成TiC需要更多的能量，用于金屬粉末熔融的能量減小，熔覆面積減小，隨著粉末配比的進(jìn)一步增加，TiC生成量增多，反應(yīng)過程中的放熱增加，有助于提供更多的能量，故而熔覆面積有略微上升的趨勢。

圖6 面積模型主效應(yīng)圖

圖7為掃描速度與粉末配比對面積交互作用的曲面圖?？梢钥闯觯S著掃描速度和粉末配比的增加，面積呈現(xiàn)下降的趨勢。這是因為在激光功率保持一定的情況下，隨著掃描速度的增大，激光作用在熔池的時間減少，熔池能量較低，單位時間內(nèi)熔池熔化的粉末量也相應(yīng)減小，同時隨著粉末中碳元素的增加，原位生成TiC增強(qiáng)相增多，原位合成反應(yīng)消耗了更多的能量。在熔池單位熱輸入減少的情況下，原位合成量增多，能量消耗大，金屬熔融量減少，面積呈現(xiàn)出下降的趨勢。

圖7 面積與掃描速度和粉末配比的曲面圖

3 多目標(biāo)優(yōu)化及驗證

基于試驗獲得的信息并結(jié)合實際生產(chǎn)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要前提。目前絕大多數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化都可以表示為式（5）的形式。

式中：為決策向量；f()為目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)；lower和upper分別為決策向量中的最小值和最大值；1和2為對優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的約束矩陣；和eq為約束量。

在多目標(biāo)優(yōu)化情況中，多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化必然存在一定的矛盾。如何找出最能滿足實際情況的非劣解（Pareto優(yōu)化解）是多目標(biāo)優(yōu)化的重中之重。在基于Pareto占優(yōu)思想的多目標(biāo)優(yōu)化算法中，帶精英策略的非支配排序遺傳算法NSGA–Ⅱ（non–dominated sorting genetic algorithm Ⅱ）是較為有效的算法之一，具有全局搜索能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、解集收斂性好等優(yōu)點[22-24]。

多目標(biāo)優(yōu)化后，針對目標(biāo)結(jié)果尋優(yōu)提出一種加權(quán)歸一化算法。得到目標(biāo)Pareto優(yōu)化解后，利用式（6）進(jìn)行歸一化處理。

式中：y()為輸入值；min()為輸入值組最小值；max()為輸入值組最大值。

其次，根據(jù)望大望小特性對各響應(yīng)歸一化值進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，處理方式如式（7）所示。

式中：1和2分別為望大、望小的轉(zhuǎn)換結(jié)果。最后，針對各響應(yīng)情況對所得目標(biāo)通過加權(quán)公式（8）得出決定系數(shù)。

式中：ω為權(quán)重系數(shù)；X為根據(jù)望大望小特性轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。

對于激光熔覆多道搭接，高寬比越小意味著熔覆層越平坦，越有利于搭接成形和提升熔材基體結(jié)合性，形成質(zhì)量高的大面積熔覆層。稀釋率是判斷激光熔覆基材削弱方面的重要指標(biāo)，較小的稀釋率意味著對基材的削弱更小；考慮到生產(chǎn)效率問題，優(yōu)化目標(biāo)選擇面積越大越好，結(jié)合多道搭接的應(yīng)用背景，對高寬比權(quán)重取2，其余權(quán)重取1進(jìn)行擇優(yōu)。

NSGA–Ⅱ算法里的初始種群數(shù)設(shè)為200，最大迭代次數(shù)為200。優(yōu)化過程中，對整體目標(biāo)函數(shù)分量取極小值，故望大的目標(biāo)值取相反數(shù)。采用NSGA–Ⅱ優(yōu)化算法對激光熔覆成形指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，其算法流程如圖8所示，優(yōu)化結(jié)果如圖9所示，預(yù)測優(yōu)化數(shù)據(jù)如表4所示。

圖8 NSGA–Ⅱ算法流程圖

Fig.8 NSGA-Ⅱalgorithm flow chart

圖9 NSGA–Ⅱ算法Pareto圖

驗證試驗的結(jié)果如表5所示。驗證試驗制備得到的熔覆層高寬比為0.477 5、稀釋率為9.89%、面積為1.628 6 mm2。從全因素試驗中可得，在激光功率為1 400 W、掃描速度為6 mm/s、粉末配比為1.02時，制備出的熔覆層的高寬比值為0.466 8，稀釋率為8.79%，面積為1.1 mm2。綜合比較后可以看出，優(yōu)化組在高寬比及稀釋率保持大致相當(dāng)?shù)那闆r下，面積增加了48.05%。驗證試驗的結(jié)果證明了該方法的有效性。驗證試驗的熔覆層形貌如圖10所示。

使用顯微硬度計（MVA–402TS，HDNS，China）測量驗證的試驗樣塊的熔覆層硬度，熔覆層硬度為70.4HRC，基體硬度為18.6HRC，熔覆層硬度相對于基體提高了3.78倍。

表4 NSGA–Ⅱ優(yōu)化結(jié)果

Tab.4 NSGA-Ⅱoptimization results

表5 優(yōu)化結(jié)果及驗證

Tab.5 Optimization results and verification

圖10 驗證試驗形貌

使用掃描電鏡及能譜儀測試元素成分及分布情況。微觀組織及微觀組織能譜圖如圖11所示。在熔覆層內(nèi)發(fā)現(xiàn)了部分呈樹枝晶狀以及部分花瓣狀的增強(qiáng)相顆粒。由EDS能譜可知，點碳鈦原子數(shù)比接近1︰1，進(jìn)而可以判斷生成硬質(zhì)相顆粒為TiC，點主要成分為Ni，同時在高能激光束作用下，存在部分Ti元素和C元素固溶在鎳基組織中，證明激光熔覆原位生成TiC增強(qiáng)鎳基方案可行。

涂層微觀組織形貌中存在2種形態(tài)的TiC顆粒。這是因為鈦元素會在熔池的對流作用下加速擴(kuò)散，并發(fā)生反應(yīng)析出碳化物。由于Ni35A粉末在碳元素擴(kuò)散過程中起到了一定的阻礙作用，部分小區(qū)域范圍內(nèi)存在碳虧損和碳盈余2種情況，導(dǎo)致生成的TiC形狀上有所不同。在部分碳元素不足的區(qū)域，由于原位生成量減少，更多的能量用于延長熔池壽命，熔池保溫作用增強(qiáng)，TiC顆粒生長時間變長，形貌呈現(xiàn)為樹枝晶狀。在碳元素盈余的區(qū)域，原位反應(yīng)生成量增多。同時，激光熔覆在開放氛圍中進(jìn)行，在熱傳導(dǎo)、保護(hù)氣等作用下，避免了Ostwald Ripening粗化效應(yīng)[25]，導(dǎo)致其生成硬質(zhì)相顆粒的形核率高且生長時間短，呈現(xiàn)出近圓狀的花瓣形顆粒。

圖11 涂層分析圖

4 結(jié)論

采用全因素試驗設(shè)計研究了激光熔覆中激光功率、掃描速度和粉末配比對高寬比、稀釋率和熔覆面積的耦合作用規(guī)律，通過擬合回歸模型得到數(shù)學(xué)模型后，通過NSGA–Ⅱ遺傳算法尋求優(yōu)化工藝參數(shù)，其主要結(jié)論如下。

1）隨著激光功率和掃描速度的增大，高寬比呈現(xiàn)降低的趨勢；隨著粉末配比的變化，高寬比呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；稀釋率與激光功率、掃描速度、粉末配比均呈現(xiàn)正相關(guān)；熔覆面積隨著激光功率的增大而增大，隨著掃描速度和粉末配比的增大而減小。

2）以多道搭接產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用為背景，利用NSGA–Ⅱ遺傳算法提出一種加權(quán)擇優(yōu)方法，在高寬比和稀釋率望小、面積望大的條件下進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的工藝參數(shù)為激光功率1 585.70 W、掃描速度4.76 mm/s、粉末配比1.02。

3）利用優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行驗證試驗。在制備的熔覆層內(nèi)發(fā)現(xiàn)部分樹枝晶和花瓣狀的TiC顆粒。驗證試驗所得的實際值與預(yù)測值的誤差分別為6.59%（高寬比）、6.92%（稀釋率）、7.97%（面積），證明了NSGA–Ⅱ多目標(biāo)優(yōu)化的可行性和模型的可靠性。

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Laser Cladding In-situ Synthesis of TiC Forming Control Method

ZENG Jia-yi, LIAN Guo-fu, CHU Meng-ya, HUANG Xu

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

Aiming at the problems of poor in-situ forming quality and few optimization methods of laser cladding, this paper explores the influence of process parameters on the aspect ratio, dilution rate and area of cladding, and realizes the prediction and optimization of cladding quality. The full factor test is used to conduct the fitting and regression of the data, and the obtained mathematical model is used for variance analysis to acquire the effect of process parameters on the forming quality index. After that, the NSGA-Ⅱ genetic algorithm is used for multi-objective optimization, and a weighted optimal algorithm is proposed. The optimized process parameters obtained are as follows: the laser power is 1 585.70 W, the scanning speed is 4.76 mm/s, and the powder ratio is 1.02, the errors between which and their predicted values is less than 10%, proving the accuracy of the optimization method. The aspect ratio shows a decreasing trend with the increase of laser power and scanning speed, and it first decreases and then increases with the increase of powder ratio. The dilution ratio is positively related to laser power, scanning speed and powder ratio. The cladding area increases with the increase of the laser power, and decreases with the increase of the scanning speed and the powder ratio. The research results can provide a theoretical basis for the forming control of laser cladding in-situ synthesis of TiC.

laser cladding; in-situ synthesis; forming quality; NSGA-Ⅱ multi-objective optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.014

TG665；TH161+.1

A

1674-6457(2022)06-0101-10

2021–10–21

國家自然科學(xué)基金（51575110）

曾嘉怡（1997—），男，碩士生，主要研究方向為激光增材制造。

練國富（1980—），男，博士，教授，主要研究方向為激光增材制造、激光表面工程。

責(zé)任編輯：蔣紅晨