激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)鐵基雙層涂層組織和殘余應(yīng)力的影響

周嘉利 程延海 陳永雄 梁秀兵 白成杰 杜 望

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，徐州，2211162.軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院，北京，1000713.徐州華恒機(jī)器人系統(tǒng)有限公司，徐州，221137

0 引言

在極端環(huán)境中服役的重型設(shè)備廣泛應(yīng)用于資源開(kāi)采、基礎(chǔ)建設(shè)和海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域，它們具有設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、造價(jià)高、零件易損壞的特點(diǎn)，因此，基于再制造技術(shù)的重型設(shè)備循環(huán)利用是促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障[1-2]。激光熔覆因具有高精度、高效率、低污染和低成本的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于裝備表面強(qiáng)化和再制造[3-4]。研發(fā)基于激光熔覆的盾構(gòu)機(jī)刀圈表面強(qiáng)化及再制造技術(shù)具有重要意義[1,5]。

激光熔覆技術(shù)在盾構(gòu)機(jī)刀圈再制造領(lǐng)域應(yīng)用的主要難題是熔覆層具有高裂紋敏感性[1]。激光熔覆的急冷特性和耐磨粉末的高硬脆性使得熔覆層具有較大的殘余應(yīng)力，適當(dāng)?shù)臍堄鄩簯?yīng)力可以抑制涂層內(nèi)裂紋的擴(kuò)張，而殘余拉應(yīng)力和過(guò)大的壓應(yīng)力都會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，進(jìn)而影響涂層的成形質(zhì)量[6]。因此，探究激光熔覆過(guò)程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和演變機(jī)理，并通過(guò)調(diào)控熔覆工藝控制涂層的殘余應(yīng)力分布實(shí)現(xiàn)高成形質(zhì)量耐磨層的制備，具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。LIU等[7]采用三維模型分析了激光重熔對(duì)NiCrBSi涂層殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明重熔區(qū)域表現(xiàn)為拉伸殘余應(yīng)力；LUO等[8]采用激光沖擊技術(shù)消除了涂層內(nèi)部較大的殘余應(yīng)力，并優(yōu)化了涂層的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能；DAS等[9]發(fā)現(xiàn)激光重熔可以使涂層表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這抑制了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張，從而顯著降低了涂層的裂紋密度。

目前，對(duì)激光熔覆層殘余應(yīng)力和缺陷控制的研究集中于熔覆工藝對(duì)單層涂層成形質(zhì)量和機(jī)械性能的影響[10-13]，但對(duì)于大型裝備的再制造修復(fù)，涂層需要多層多道激光熔覆，相比于單層熔覆層，多層涂層在逐層堆積過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力累積現(xiàn)象，使其具有更高的開(kāi)裂敏感性[14]。本文采用激光熔覆技術(shù)制備了Fe基雙層多道涂層，研究了熔覆路徑、激光功率和掃描速度對(duì)涂層顯微組織、力學(xué)性能和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，為盾構(gòu)機(jī)刀圈表面強(qiáng)化和再制造修復(fù)的激光熔覆參數(shù)選擇和路徑規(guī)劃提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

基體材料采用Q345鋼，熔覆材料為Fe基合金粉末，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 基體與Fe基粉的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

在激光熔覆前，基板經(jīng)過(guò)砂紙打磨除銹和酒精沖洗；粉末采用101-00B型電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行100 ℃-2 h的烘干處理。采用YLS-4000型光纖激光器進(jìn)行熔覆層制備，激光器的輸出波長(zhǎng)為1070～1080 nm，光斑為直徑3 mm的圓形光斑，搭接率為50%，送粉速度為1.8 r/min。共制備9組試樣，其工藝參數(shù)如表2所示。

表2 激光熔覆參數(shù)設(shè)計(jì)方案

1.2 表征方法

采用320～2000號(hào)的砂紙對(duì)涂層斷面進(jìn)行打磨，并用拋光布進(jìn)行拋光。采用王水(15 ml HCl+5 ml HNO3)對(duì)涂層斷面腐蝕3～5 s，并用酒精沖洗后烘干。使用JE0L-6510型掃描電子顯微鏡觀察其組織形貌。

采用華銀HVS-1000型硬度儀對(duì)試樣沿涂層深度方向進(jìn)行硬度測(cè)量，施加力為5 N，作用時(shí)間為10 s，每間隔100 μm選取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，且在每個(gè)測(cè)量深度上測(cè)量3次取平均值。

采用X-350型X射線衍射儀測(cè)量涂層的殘余應(yīng)力，儀器的測(cè)試精度為±20 MPa。測(cè)量時(shí)取熔覆面平整且質(zhì)量較好的兩個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試，選擇入射角為0°、15°和35°，采用交相關(guān)函數(shù)法獲得殘余應(yīng)力值與誤差值。殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)位置如圖1所示。測(cè)量參數(shù)如下：輻射靶材為Cr-Kβ，衍射晶面為(311)，應(yīng)力常數(shù)為-366 MPa，X射線管電壓為24 kV，X射線管電流為7 mA，掃描角度為162°～148°，計(jì)數(shù)時(shí)間為0.25 s。

圖1 X射線殘余應(yīng)力測(cè)試

電化學(xué)剝層試驗(yàn)采用直流雙橋穩(wěn)壓電源，基體的尺寸為70 mm×60 mm×20 mm，熔覆層的尺寸為40 mm×20 mm。圖2為電化學(xué)腐蝕剝層試驗(yàn)臺(tái)的原理圖。采用直流穩(wěn)壓電源，正極接銅板，負(fù)極接試樣，電解質(zhì)選用飽和NaCl溶液。通過(guò)多次預(yù)試驗(yàn)，選擇電壓為6.5 V，兩極間距為35 mm，腐蝕時(shí)間為120～150 min，預(yù)計(jì)每次剝除厚度為0.3 mm。

圖2 電化學(xué)腐蝕剝層原理圖

電化學(xué)腐蝕剝層的優(yōu)勢(shì)是不會(huì)改變涂層內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)分布，但涂層結(jié)構(gòu)的改變終究會(huì)引起小部分應(yīng)力釋放。通過(guò)計(jì)算可以得到上一剝層對(duì)當(dāng)前剝層殘余應(yīng)力的影響，進(jìn)而能夠?qū)y(cè)得的殘余應(yīng)力進(jìn)行修正。圖3顯示了電化學(xué)剝層修正原理。設(shè)σx為試樣內(nèi)部在x方向均勻分布的殘余應(yīng)力，A、B表示基體和剝除層，H為試樣的剝除層總厚度，σ1為厚度Δh剝層中的內(nèi)應(yīng)力。在剝除層未剝除時(shí)，它與基體間存在拉力F=σ1Δh，剝層以后拉力可以分解為拉應(yīng)力σF和彎曲應(yīng)力σB[15]。

圖3 剝除層修正原理

由材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)可得

(1)

(2)

由式(2)可得

(3)

由于Δh非常小，所以式(3)可化簡(jiǎn)為

(4)

又因?yàn)?/p>

(5)

所以剝除部分對(duì)剩余部分的影響可表示為

σm=σB+σF

(6)

第一層測(cè)量的應(yīng)力不會(huì)受到其他外界因素的影響，第二層開(kāi)始應(yīng)力的實(shí)際值σi為測(cè)量值σc加上修正值σmi：

σi=σc+σmi

(7)

式中，i表示第i剝層，i=2, 3,…。

進(jìn)一步分析可得

σi=σc+(σm(i,i-1)+σm(i,i-2)+…+σm(i,1))

(8)

式中，σm(i,i-1)為第i-1剝除層對(duì)第i層剝除層殘余應(yīng)力影響的修正值。

剝除過(guò)程中某一剝除層對(duì)當(dāng)前剝除層殘余應(yīng)力影響的修正值計(jì)算公式為[15]

(9)

式中，k為正整數(shù)；Δhk為第k剝除層的厚度；j表示第i層之前的某一剝除層，j=1, 2,…,i-1；σm(i,j)為第j剝除層對(duì)第i層剝除層殘余應(yīng)力影響的修正值；σm(j+1,j)為第j剝除層對(duì)第j+1層剝除層殘余應(yīng)力影響的修正值。

根據(jù)式(9)可以得到之前每一剝除層對(duì)當(dāng)前剝除層殘余應(yīng)力的影響，代入式(8)即可得到未受電化學(xué)剝層影響的實(shí)際殘余應(yīng)力值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

圖4所示為試樣2的斷面形貌。涂層的厚度約為1.6 mm，表面堆積著少量未熔粉末顆粒。涂層斷面經(jīng)過(guò)腐蝕，顯示出較為明顯的涂層-基體熔合線。涂層和基體間形成了高強(qiáng)度的冶金結(jié)合，且無(wú)明顯的裂紋、孔隙等缺陷，成形質(zhì)量良好。由于圓形光斑的激光能量密度呈高斯分布，使得基體和涂層的結(jié)合帶是連續(xù)的波浪線型，這樣的結(jié)合界面在涂層受剪切力時(shí)可以阻礙界面發(fā)生滑移，有利于提高基體-涂層的結(jié)合強(qiáng)度。此外，從圖中未發(fā)現(xiàn)層與層之間有明顯的結(jié)合帶，這是由于兩層涂層的熔覆材料相同且層與層之間發(fā)生了重熔導(dǎo)致其宏觀形貌無(wú)差別。

圖4 試樣2涂層的斷面形貌

為探究掃描路徑對(duì)涂層厚度的影響，在每組試樣中取一個(gè)對(duì)照樣品，使用砂紙和金相磨拋機(jī)將樣品磨損至涂層-基體結(jié)合帶波浪線的中位線處。采用螺旋測(cè)微器測(cè)量該對(duì)照樣品厚度，測(cè)量3次取平均值作為基體厚度，未磨損樣品厚度減去基體厚度作為涂層厚度，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。由于所選試樣的激光功率和掃描速度相同，故其厚度只與掃描路徑有關(guān)。在激光功率為1.8 kW和掃描速度為0.02 m/s時(shí)，路徑1和路徑2涂層的厚度接近，路徑3和路徑4涂層厚度相對(duì)較小。這是因?yàn)槁窂?和路徑2均為直線往復(fù)式激光掃描，涂層厚度會(huì)線性累加。路徑3激光軌跡垂直交叉，打亂了涂層厚度的線性累積且涂層相對(duì)致密，導(dǎo)致涂層厚度較小。路徑4為輪廓偏置式激光掃描，使得熔池冷凝過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力的方向是發(fā)散的，增強(qiáng)了涂層的致密性使得涂層厚度較小。

圖5 不同激光掃描路徑下各試樣厚度

以試樣2、8、9分析掃描路徑1、3、4對(duì)涂層微觀形貌的影響，見(jiàn)圖6，其中，圖6a、圖6b和圖6c所示分別為對(duì)應(yīng)掃描路徑1、3、4的涂層頂部形貌。三組不同激光掃描路徑下涂層頂部顯微組織相似，晶粒細(xì)小且組織致密，涂層具有良好的成形質(zhì)量及力學(xué)性能。相比于路徑1，路徑3和路徑4的晶粒生長(zhǎng)方向具有多樣性，這是由于晶粒的擇優(yōu)生長(zhǎng)方向?yàn)樽畲鬁囟忍荻确较?。路?和路徑4的掃描方式避免了晶粒的同向生長(zhǎng)，受到外部應(yīng)力時(shí)可以阻礙晶界滑移，有利于提高涂層硬度。

圖6d、圖6e和圖6f分別對(duì)應(yīng)掃描路徑1、3、4的涂層層間形貌。受液態(tài)熔池凝固特征、界面熔化特征等多方面的影響，相鄰層微觀組織分別呈現(xiàn)與掃描方向或搭接方向相對(duì)應(yīng)的形貌特征。在路徑1中，兩層間的晶粒形貌及大小相似，但其生長(zhǎng)方向略有不同。此外，兩層之間的熔合區(qū)顯微組織晶粒致密，這是由于層與層之間發(fā)生了重熔現(xiàn)象，激光束重復(fù)掃描使得層間組織進(jìn)行了一次淬火導(dǎo)致晶粒細(xì)化。在路徑3中，由于兩層涂層的掃描路徑垂直交叉，涂層之間的晶粒生長(zhǎng)方向有顯著差異，這是垂直交叉掃描路徑涂層的典型特征[16]。涂層晶粒生長(zhǎng)方向沒(méi)有明顯的規(guī)律，這是由于該激光掃描路徑下熔覆材料逐層堆積成形過(guò)程中道與道之間、層與層之間搭接復(fù)雜。在路徑4中，偏置輪廓的掃描軌跡使得晶粒生長(zhǎng)方向變?yōu)楦飨虍愋?，兩層涂層熔合線兩側(cè)的組織形貌有顯著差異。由于激光熱源熱量的累積效應(yīng)，在涂層層間的冶金結(jié)合處易形成氣孔、裂紋等缺陷。

圖6g、圖6h和圖6i分別對(duì)應(yīng)掃描路徑1、3、4的涂層-基體熔合線處形貌。三種不同激光掃描路徑下，涂層熔合線處的顯微組織差異較小，基體與熔覆層均能形成良好的冶金結(jié)合，熔覆層和基體結(jié)合緊密，不容易脫落。三組熔覆層的涂層-基體熔合線區(qū)域均出現(xiàn)了平面晶，而后轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪罹АＴ谌鄢啬踢^(guò)程中，溫度梯度從熔池底部到涂層表面逐漸減小，在熔池底部溫度的降低是均勻的，基本保持穩(wěn)定的平面狀，所以產(chǎn)生了平面晶。隨著界面的向上移動(dòng)，溫度變化加快，同時(shí)伴隨著激光束沖擊、送粉氣吹拂以及未熔顆粒濺射的擾動(dòng)，凝固界面轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)，因此產(chǎn)生了胞狀晶、樹(shù)枝晶和等軸晶[17]。

(a)路徑1涂層頂部形貌 (b)路徑3涂層頂部形貌 (c)路徑4涂層頂部形貌

圖7為微觀組織生長(zhǎng)規(guī)律示意圖。涂層的微觀組織主要由溫度梯度(G)和晶粒生長(zhǎng)速率(R)決定，G/R影響組織的形貌，GR影響晶粒大小[18]。在涂層-基體熔合線處，晶粒的形核屬于異質(zhì)形核，這是因?yàn)榫|(zhì)形核的形核功ΔG1為[19]

圖7 微觀組織生長(zhǎng)規(guī)律[17]

(10)

式中，ΔHm為熔化潛熱；σLS為固液界面張力；ΔT為過(guò)冷度；Tm為熔點(diǎn)。

而異質(zhì)形核的形核功ΔG2為[19]

(11)

式中，θ為接觸角。

由式(10)和式(11)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ΔG1≥ΔG2并且θ=0°時(shí)ΔG2=0，異質(zhì)形核阻力小于均質(zhì)形核阻力，故熔池液相會(huì)優(yōu)先附著于基體固相形核；同時(shí)，熔池底部具有高的G/R，涂層-基體結(jié)合帶處晶粒形狀為平面晶。由結(jié)合帶到涂層頂部，G/R逐步減小，晶粒形狀發(fā)生如下變化：平面晶→胞狀晶→柱狀樹(shù)枝晶→等軸樹(shù)枝晶。

2.2 顯微硬度分析

圖8為激光掃描路徑1、2、3、4的涂層斷面顯微硬度分布曲線。由斷面硬度梯度可以將試樣分為涂層、熱影響區(qū)和基體，涂層硬度為499HV～634HV，而基體的平均硬度為170HV，涂層硬度是基體的2～3倍，具有優(yōu)異的耐磨性能。激光掃描路徑2、3、4的涂層具有相似的硬度分布規(guī)律，其表層涂層的硬度略低于內(nèi)層。這是因?yàn)閮?nèi)層熔覆層組織受到表層熔覆成形過(guò)程中激光能量的影響，進(jìn)行了一次重熔和淬火硬化。路徑1涂層的斷面硬度變化較大，且沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，這可能與涂層致密性和均勻性相對(duì)較差有關(guān)。熱影響區(qū)厚度約為1.2 mm，其硬度由涂層向基體過(guò)渡，在靠近熔合帶處變化幅度較大，熱影響區(qū)的硬度變化與激光淬火和元素?cái)U(kuò)散有關(guān)[8]。此外，路徑3的熱影響區(qū)硬度相對(duì)較大，這可能是由于激光垂直交叉掃描制備的涂層厚度較小，激光對(duì)基體的熱輸入量更大，使熱影響區(qū)的淬火硬化相對(duì)充分[20]。

圖8 不同激光掃描路徑下的顯微硬度分布

2.3 不同激光功率下殘余應(yīng)力演變規(guī)律

以試樣1、2、3探究激光功率對(duì)涂層殘余應(yīng)力的影響。激光功率分別為1.6，1.8，2 kW時(shí)涂層沿深度方向的殘余應(yīng)力演變?nèi)鐖D9所示。涂層表面表現(xiàn)出壓縮殘余應(yīng)力，X點(diǎn)的平均殘余應(yīng)力為-333～-279 MPa，Y點(diǎn)的平均殘余應(yīng)力為-332～-231 MPa。在涂層內(nèi)部，X點(diǎn)的平均殘余應(yīng)力為-601～-26 MPa，Y點(diǎn)的平均殘余應(yīng)力為-614～-56 MPa。殘余應(yīng)力在熔合線附近出現(xiàn)突變，熱影響區(qū)表現(xiàn)為拉應(yīng)力，X點(diǎn)的平均殘余應(yīng)力為107～282 MPa，Y點(diǎn)的平均殘余應(yīng)力為74～357 MPa。圖9表明激光功率不會(huì)改變涂層內(nèi)殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，只會(huì)改變其大小，適當(dāng)?shù)膲嚎s殘余應(yīng)力有助于阻礙裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張，但需要避免拉伸殘余應(yīng)力和較大的壓縮殘余應(yīng)力出現(xiàn)，前者會(huì)增加涂層開(kāi)裂敏感性，后者會(huì)導(dǎo)致涂層易剝落甚至翹起[8,21]。

(a)X點(diǎn)

圖10統(tǒng)計(jì)了激光功率P分別為1.6，1.8，2.0 kW時(shí)，涂層與熱影響區(qū)的平均殘余應(yīng)力分布。激光功率為1.8 kW的涂層具有最大的壓縮殘余應(yīng)力，且其熱影響區(qū)具有最小的拉伸殘余應(yīng)力。在X點(diǎn)，涂層的平均壓應(yīng)力為-441.18 MPa，熱影響區(qū)的平均拉應(yīng)力為119.41 MPa；在Y點(diǎn)，涂層的平均壓應(yīng)力為-446.75 MPa，熱影響區(qū)的平均拉應(yīng)力為167.99 MPa。因此，激光功率為1.8 kW下涂層具有最優(yōu)的殘余應(yīng)力分布。

(a)熔覆層平均殘余應(yīng)力

2.4 不同掃描速度下殘余應(yīng)力演變規(guī)律

以試樣2、4、5、6探究激光掃描速度對(duì)涂層殘余應(yīng)力演變規(guī)律的影響。掃描速度v分別為0.010，0015，0.020，0.025 m/s時(shí)涂層沿深度方向的殘余應(yīng)力分布如圖11所示。涂層表面和內(nèi)部均表現(xiàn)出壓縮殘余應(yīng)力，而熱影響區(qū)表現(xiàn)為拉伸殘余應(yīng)力，掃描速度的變化未改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。激光功率恒定時(shí)，提高掃描速度會(huì)減小熱輸入，且使得熔池冷卻速度加快。熱輸入減少會(huì)降低涂層內(nèi)殘余應(yīng)力的大小，而冷卻速度加快使得熔池溫度梯度增大，熱膨脹系數(shù)差異帶來(lái)的“正體積”效應(yīng)增大，導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大，涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力大小是兩者相互作用的結(jié)果。

(a)X點(diǎn)

圖12統(tǒng)計(jì)了掃描速度v分別為0.010，0015，0.020，0.025 m/s時(shí)涂層與熱影響區(qū)的平均殘余應(yīng)力分布。當(dāng)掃描速度為0.020 m/s時(shí)，涂層具有最大的平均壓縮殘余應(yīng)力，且熱影響區(qū)具有最小的平均拉伸殘余應(yīng)力。在X點(diǎn)，涂層的平均壓應(yīng)力為-441.18 MPa，熱影響區(qū)的平均拉應(yīng)力為181.27 MPa；在Y點(diǎn)，涂層的平均壓應(yīng)力為-446.75 MPa，熱影響區(qū)的平均拉應(yīng)力為199.02 MPa。綜上所述，激光功率為1.8 kW、掃描速度為0.02 m/s時(shí)的涂層具有最優(yōu)的應(yīng)力分布。

(a)熔覆層平均殘余應(yīng)力

2.5 不同掃描路徑下殘余應(yīng)力演變規(guī)律

以試樣2、7、8、9探究四種掃描路徑下殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。激光掃描路徑1、2、3、4下試樣在沿涂層深度方向的殘余應(yīng)力分布如圖13所示。激光掃描路徑的變化同樣未改變涂層的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，涂層為壓應(yīng)力而熱影響區(qū)為拉應(yīng)力。涂層表面的殘余壓應(yīng)力略小于涂層內(nèi)部的殘余壓應(yīng)力，這是因?yàn)橥繉颖砻嬉壮霈F(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象。同時(shí)，路徑3的涂層在層間結(jié)合處壓應(yīng)力突然減小，這是因?yàn)榇怪苯徊娴膾呙璺绞酱騺y了涂層內(nèi)應(yīng)力的線性累積。掃描路徑的改變主要影響涂層的晶粒生長(zhǎng)方向，進(jìn)而調(diào)控涂層的殘余應(yīng)力分布。

(a)X點(diǎn)

圖14統(tǒng)計(jì)了激光掃描路徑1、2、3、4下涂層與熱影響區(qū)的平均殘余應(yīng)力分布。路徑1和路徑2的掃描軌跡較為相似，所以所得涂層的厚度、硬度、組織形貌相似，但是它們的殘余應(yīng)力出現(xiàn)了差別。殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，它們的熔覆層殘余應(yīng)力值相似，而熱影響區(qū)路徑2的拉應(yīng)力小于路徑1的拉應(yīng)力，所以其殘余應(yīng)力分布優(yōu)于路徑1。此外，偏置輪廓式的掃描軌跡(路徑4)，涂層具有最大的平均壓縮殘余應(yīng)力，且熱影響區(qū)具有最小的平均拉伸殘余應(yīng)力。在X點(diǎn)，涂層的平均壓應(yīng)力為-441.18 MPa，熱影響區(qū)的平均拉應(yīng)力為119.42 MPa；在Y點(diǎn)，涂層的平均壓應(yīng)力為-446.75 MPa，熱影響區(qū)的平均拉應(yīng)力為167.99 MPa。輪廓偏置式掃描路徑使涂層的晶粒生長(zhǎng)方向更為多樣化，且涂層內(nèi)應(yīng)力方向發(fā)散避免了應(yīng)力集中，這對(duì)涂層的致密度和應(yīng)力分布具有積極影響[22]。

(a)熔覆層平均殘余應(yīng)力

2.6 殘余應(yīng)力演變機(jī)理

殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與金屬的形變有關(guān)，在激光熔覆時(shí)，激光束對(duì)熔池有沖擊作用，使其體積收縮，激光束掃描過(guò)后沖擊力消失，故熔池有“體積膨脹”趨勢(shì)。然而，溶池此時(shí)已完全冷卻不會(huì)發(fā)生體積變化，所以涂層內(nèi)產(chǎn)生了阻礙“體積膨脹”的壓應(yīng)力，顯然該壓應(yīng)力對(duì)提高涂層致密度以及阻礙裂紋擴(kuò)張有積極影響。而在熱影響區(qū)，激光的淬火使其晶粒細(xì)化，在致密度提高的同時(shí)也有“體積收縮”趨勢(shì)，在冷卻后該區(qū)域會(huì)受到周圍材料的反作用，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。理論上，熱影響區(qū)會(huì)開(kāi)裂，涂層不會(huì)開(kāi)裂，但實(shí)際上涂層易開(kāi)裂，而熱影響區(qū)很少開(kāi)裂，這是由于熱影響區(qū)的材料韌性優(yōu)于涂層，并且熱影響區(qū)處于涂層和基體之間，受到其他區(qū)域材料的擠壓和包覆，雖然其內(nèi)部為拉應(yīng)力，有產(chǎn)生裂紋的趨勢(shì)，但是裂紋難以在熱影響區(qū)擴(kuò)展延伸。試樣在不受外力影響時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力是平衡的，涂層的壓應(yīng)力和熱影響區(qū)的拉應(yīng)力互相平衡。此外，涂層中的裂紋通常是以熱影響區(qū)為起點(diǎn)向上延伸貫穿涂層始終的，這是因?yàn)樵谌鄢乩鋮s時(shí)，劇烈的溫度變化使得試樣熱影響區(qū)某處拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于上方涂層內(nèi)的壓應(yīng)力，因此產(chǎn)生了裂紋。

激光功率和掃描速度決定了熔池中心溫度和冷卻速率，這影響了涂層的晶粒形狀和晶粒大小，掃描路徑則會(huì)影響晶粒的生長(zhǎng)方向，而這些因素都會(huì)對(duì)涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響。激光功率為1.8 kW、激光掃描速度為0.02 m/s、激光掃描路徑為輪廓偏置式掃描時(shí)，涂層壓應(yīng)力最大，熱影響區(qū)拉應(yīng)力最小，涂層具有最優(yōu)的顯微組織和應(yīng)力分布。

3 結(jié)論

使用激光熔覆在Q345鋼表面制備了雙層多道Fe基涂層，利用掃描電鏡和X射線衍射法分析了工藝參數(shù)和掃描路徑對(duì)涂層顯微組織和殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：

(1)由基體-涂層的結(jié)合帶到涂層頂部，晶粒形狀發(fā)生如下變化：平面晶→胞狀晶→柱狀樹(shù)枝晶→等軸樹(shù)枝晶；輪廓偏置式掃描路徑使涂層的晶粒生長(zhǎng)方向更為多樣化，提高了涂層的致密度。

(2)涂層表面和內(nèi)部為殘余壓應(yīng)力，在涂層-基體熔合線處殘余應(yīng)力發(fā)生突變，熱影響區(qū)表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力。適當(dāng)?shù)臍堄鄩簯?yīng)力能夠抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張。

(3)激光功率為1.8 kW、激光掃描速度為0.020 m/s、激光掃描路徑為輪廓偏置掃描時(shí)，涂層具有最優(yōu)的顯微組織和應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要與激光束對(duì)熔池的沖擊作用以及熔覆層的非平衡凝固特性有關(guān)。