激光熔覆層裂紋的控制方法及研究進(jìn)展

王雪嬌，吳世品，丁偉，馬強(qiáng)，楊超鋒

1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津 300072

2.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司 天津 300302

3.天津金橋焊材集團(tuán)有限公司 天津 300399

1 序言

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，表面處理技術(shù)快速發(fā)展。表面處理技術(shù)通過(guò)對(duì)零件表面進(jìn)行必要的改性處理，進(jìn)而減少零件的磨損，提高零件的壽命，大幅提高經(jīng)濟(jì)效益。在眾多現(xiàn)代表面處理技術(shù)中，利用激光的加熱、熔化和沖擊作用，快速、選擇性地掃描基體自身或引入其他材料實(shí)現(xiàn)基體表面性能改善的激光表面處理技術(shù)迅速發(fā)展，并在工業(yè)中推廣應(yīng)用。因其對(duì)基體材料的適用范圍廣和改善性能效果好的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前最引人關(guān)注的表面處理技術(shù)之一[1-3]。

激光熔覆技術(shù)作為再制造技術(shù)中重點(diǎn)發(fā)展的激光表面改性技術(shù)，在操作過(guò)程中能量消耗小，產(chǎn)生的廢氣、廢料少，是國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中重點(diǎn)發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)。同時(shí)，該技術(shù)具有能量集中、加熱和冷卻速度快、熱輸入和畸變較小，以及涂層稀釋率低等優(yōu)點(diǎn)，可以獲得更加符合設(shè)計(jì)預(yù)期的覆層性能[4-7]。因此，國(guó)內(nèi)外均投入大量人力、物力進(jìn)行研究，雖取得了一定的研究成果，但也發(fā)現(xiàn)激光熔覆層容易出現(xiàn)氣孔、開(kāi)裂、成分不均勻等缺陷[8]，進(jìn)而會(huì)影響熔覆層的質(zhì)量，限制了激光熔覆技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。本文首先闡述了激光熔覆層裂紋產(chǎn)生的原理以及裂紋的分類(lèi)，并梳理了近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者從數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測(cè)、優(yōu)化工藝參數(shù)、添加稀土氧化物以及輔助工藝處理等方面對(duì)激光熔覆層裂紋的控制情況，以期為激光熔覆技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒和參考。

2 裂紋產(chǎn)生的原因

激光熔覆是一個(gè)急熱急冷的過(guò)程，熔覆材料和基材在很短時(shí)間內(nèi)要先熔化成液態(tài)，再由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。這個(gè)過(guò)程中熔覆層因受到外部的拘束而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)熔覆層的屈服強(qiáng)度時(shí)，則產(chǎn)生裂紋。引起裂紋的殘余內(nèi)應(yīng)力主要有：熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和約束應(yīng)力[9]，其中對(duì)裂紋影響最大的為熱應(yīng)力[10]。

（1）熱應(yīng)力 由于熔覆層溫度與室溫之間存在較大溫差，且不同材料的熱膨脹系數(shù)不同，所以導(dǎo)致熔覆層冷卻收縮速度不同，收縮的速度差使熔覆層受到擠壓形成的應(yīng)力即為熱應(yīng)力[2，11，12]。曾維華[13]通過(guò)模擬多道激光熔覆過(guò)程分析得到，激光熔覆過(guò)程中熔覆層發(fā)生熱脹冷縮，從而導(dǎo)致變形不一致，在熔覆層內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。

（2）組織應(yīng)力 在熔覆材料和基材表面熔化至液態(tài)金屬、由液態(tài)金屬結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬，以及熔覆層最后冷卻凝固的整個(gè)激光熔覆過(guò)程中，組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變不均勻所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

（3）約束應(yīng)力 其形成原因有兩種：一是由于激光熔覆是一個(gè)急冷急熱的過(guò)程，熔池中先行熔化的材料受熱膨脹，受到周?chē)^冷基體的約束而產(chǎn)生的壓應(yīng)力作用；二是由于加熱后的復(fù)合涂層在固態(tài)冷縮過(guò)程中受到其他部位較冷基體的牽制，產(chǎn)生拉應(yīng)力[14]。研究表明，激光熔覆過(guò)程中因韌性遠(yuǎn)小于脆性而產(chǎn)生的拉應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的主要原因[15]。

3 裂紋的分類(lèi)

根據(jù)裂紋產(chǎn)生的位置，裂紋分為熔覆層裂紋、界面基體裂紋、搭接裂紋[16-19]，如圖1所示。其中最常見(jiàn)的是界面基體裂紋[16]，主要是因?yàn)榛w與熔覆層材料的熱膨脹系數(shù)差異大，在熱應(yīng)力的作用下界面與基體結(jié)合處發(fā)生的裂紋，一旦該裂紋形成則緩慢向熔覆層表面擴(kuò)展，在擴(kuò)展中裂紋會(huì)在最大剪切應(yīng)力方向上分叉，新分叉的裂紋從表面向基體擴(kuò)展[20]。熔覆層裂紋是在熔化金屬的凝固過(guò)程中發(fā)生的，這是由于液態(tài)熔池壽命短暫、溫度突然降低產(chǎn)生的熱應(yīng)力所致。該類(lèi)裂紋在熔覆層表面或內(nèi)部形成，并沿深度方向發(fā)生明顯分層斷裂現(xiàn)象。搭接區(qū)裂紋發(fā)生在搭接結(jié)合部與基材交接處形成“三角區(qū)”，主要是因搭接率選擇不合理而導(dǎo)致在結(jié)合區(qū)產(chǎn)生氣孔，該氣孔在各種應(yīng)力的作用下導(dǎo)致裂紋形成，且裂紋一旦形成，將擴(kuò)展至整個(gè)熔覆層[18]。

圖1 3種不同位置的激光熔覆裂紋

根據(jù)裂紋源的不同，可分為以下4種[11，13，21]。

（1）熔覆層夾渣和晶界非金屬氧化物聚集導(dǎo)致的熱裂紋 裂紋源為熔覆層中夾渣處和晶界非金屬氧化物聚集處（見(jiàn)圖2a）。為減少此類(lèi)裂紋的產(chǎn)生，需要降低熔覆粉末中用于造渣的非金屬成分的含量。

（2）組織偏析導(dǎo)致的裂紋 裂紋源為組織偏析處（見(jiàn)圖2b）?？刂品勰┑木鶆蚨仁强刂拼肆鸭y的關(guān)鍵，如延長(zhǎng)攪拌時(shí)間、減小粉末的粒度等。

（3）熱應(yīng)力導(dǎo)致的熔覆層裂紋（見(jiàn)圖2c） 裂紋源為熔覆層與基體結(jié)合處?？刂拼朔N裂紋的主要方式是降低熔覆層中的熱應(yīng)力。

（4）由熔覆層中陶瓷相的破碎導(dǎo)致的加工裂紋（見(jiàn)圖2d） 裂紋源為破碎陶瓷顆粒處?？刂拼朔N裂紋可選擇合適的加工工藝，降低磨削過(guò)程中的磨削力。

圖2 4種不同類(lèi)型的激光熔覆裂紋[21]

這4種裂紋極易隨熔覆面積和熔覆層厚度的增加而擴(kuò)展，最終形成貫穿裂紋。

4 裂紋控制方法

4.1 數(shù)值模擬

激光熔覆過(guò)程中復(fù)雜的物理變化及化學(xué)變化直接影響熔池凝固后的宏觀形貌、微觀組織及物理冶金性能，而通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)出熔覆層的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)非常困難且成本較高。隨著計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)值模擬可有效計(jì)算出整個(gè)過(guò)程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等信息，為激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化和裂紋控制提供了有效的預(yù)測(cè)方法。

曾維華[13]等利用有限元軟件A N S Y S研究了1C r18N i9Ti奧氏體不銹鋼表面多道激光熔覆Ni25WC35合金粉末涂層時(shí)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。研究表明，多道熔覆層處于拉應(yīng)力狀態(tài)，基材處于壓應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在搭接區(qū)，其次在第一道熔覆層中上部，以及熱影響區(qū)0.2～0.5mm內(nèi)拉應(yīng)力較大，從而解釋了熔覆層開(kāi)裂與應(yīng)力的關(guān)系，為預(yù)測(cè)和控制裂紋提供了理論依據(jù)。龐銘等[22]基于ANSYS 軟件的生死單元法編制熱循環(huán)程序來(lái)模擬溫度場(chǎng)的情況，揭示了激光熔覆過(guò)程中溫度-時(shí)間的變化規(guī)律，提出了能夠有效降低溫度梯度的激光參數(shù)范圍，以此抑制激光熔覆耐磨防腐自潤(rùn)滑涂層因溫度梯度過(guò)大而開(kāi)裂的情況。唐小康[23]利用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)了激光熔覆過(guò)程中移動(dòng)熱源的加載，并提出了一種根據(jù)熔覆件的動(dòng)態(tài)溫度分布進(jìn)行激光功率動(dòng)態(tài)調(diào)整的預(yù)處理方法，解決了熔覆層局部溫度過(guò)高的問(wèn)題。

崔權(quán)維[24]采用遺傳算法（GA）優(yōu)化得到的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，使預(yù)測(cè)I N718鎳基高溫合金熔覆層裂紋的精度提高3倍以上，確定了工藝參數(shù)與熔覆層表面裂紋指數(shù)之間的映射關(guān)系，從而降低了熔覆層的裂紋率。崔陸軍等[25]在基于U-net網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的熔覆裂紋語(yǔ)義分割網(wǎng)絡(luò)中增加注意力模型層（CRAM），對(duì)激光熔覆區(qū)微觀裂紋進(jìn)行實(shí)時(shí)的像素級(jí)標(biāo)注和檢測(cè)。通過(guò)人工標(biāo)注、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)注、自適應(yīng)閾值法標(biāo)注3種標(biāo)注方法測(cè)試集的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖3），神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)注使熔覆裂紋的識(shí)別和檢測(cè)準(zhǔn)確率提升2.7%，裂紋測(cè)試集的準(zhǔn)確率達(dá)到79.8%；同時(shí)，可通過(guò)該模型實(shí)時(shí)優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)，大幅降低裂紋率。

圖3 3種標(biāo)注方法下激光熔覆涂層裂紋的測(cè)試效果[25]

4.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

激光熔覆主要的工藝參數(shù)有：激光功率、熔覆層厚度、送粉速率、掃描速度、保護(hù)氣體流量及光斑直徑等。通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)抑制熔覆層的開(kāi)裂是近些年最常用的方法，但裂紋對(duì)于工藝參數(shù)的變化極為敏感，尤其工藝參數(shù)之間的相互耦合作用對(duì)裂紋的影響極大，因此工藝參數(shù)組合和優(yōu)化既要保證熔覆層成形良好，又要保證熔覆層質(zhì)量和性能。

張蕾濤[26]在45鋼激光熔覆制備N(xiāo)i60/30%WC涂層試驗(yàn)中研究了工藝參數(shù)對(duì)熔覆層裂紋率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率和搭接率的增大，裂紋率逐漸減??；隨著掃描速度和送粉率的增加，裂紋率逐漸增大。激光功率作為激光熔覆過(guò)程中的熱輸入量，大小合適的激光功率才能增強(qiáng)熔池的流動(dòng)性，有助于排渣排氣，從而降低熔覆層的裂紋率。在多道熔覆中，搭接部分相當(dāng)于對(duì)熔覆層之前產(chǎn)生的缺陷部分進(jìn)行了重熔，從而降低了裂紋率。對(duì)于送粉速率，若送粉速率過(guò)大，會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)向熔池輸送的粉末量增加，粉末難以熔化，同時(shí)粉末厚度也相應(yīng)增加，熱應(yīng)力隨之增大，導(dǎo)致裂紋率增大。此外，掃描速度的增大會(huì)使液態(tài)熔池的壽命變得更短，凝固速度R（R=vcosα）越快[27]，冷卻速度ε[28]越快，裂紋率隨之升高。宋建麗[29]、李琦[30]等提出在滿(mǎn)足生產(chǎn)效率和熔覆層形貌尺寸要求的情況下，增大激光能量密度、減小激光掃描速度或減小送粉速率，可有效降低熔覆層的開(kāi)裂傾向。

4.3 添加稀土氧化物

由于稀土元素化學(xué)性質(zhì)較為活潑，如稀土鈰（Ce）、釔（Y）、鑭（La）可以與金屬元素形成較穩(wěn)定的化合物，因此在熔池中常成為異質(zhì)形核的形核質(zhì)點(diǎn)，提高形核率，從而細(xì)化晶粒，提高了涂層的性能[26，31]，也能與熔池中的雜質(zhì)反應(yīng)，起到減少應(yīng)力集中點(diǎn)和降低熔池表面張力、凈化熔池的作用[32]。在熔覆材料中添加稀土氧化物可有效地抑制熔覆層的開(kāi)裂，但針對(duì)不同的熔覆條件，要選擇合理適量的稀土氧化物，過(guò)量的稀土氧化物會(huì)在熔池中生成大量的脆性相，導(dǎo)致熔覆層開(kāi)裂。

張蕾濤[26]通過(guò)比較有無(wú)添加稀土C e O2的Ni60/50%WC涂層的裂紋率發(fā)現(xiàn)，隨著CeO2含量的增大，涂層的表面裂紋逐漸減少，至CeO2含量為1%時(shí)，涂層無(wú)裂紋。同樣，韓濱[33]通過(guò)對(duì)試樣WC鐵基復(fù)合涂層截面頂、中、底部微觀組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，隨著CeO2的加入，涂層表面裂紋數(shù)量明顯減少，裂紋類(lèi)型從網(wǎng)狀裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向裂紋。李養(yǎng)良等[34]在45鋼基體表面激光熔覆稀土氧化物L(fēng)a2O3的Fe基涂層，將未添加稀土氧化物和添加0.2%La2O3的熔覆層裂紋情況進(jìn)行對(duì)比。分析發(fā)現(xiàn)，添加La2O3的熔覆層相對(duì)于未添加稀土的激光熔覆層組織而言，熔覆層以胞狀晶和樹(shù)枝晶為主，枝晶十分細(xì)小、分布均勻，且熔覆層中的氣孔和裂紋明顯減少。崔朋賀等[35]在鈦合金Ti6A14V表面制備了陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層，系統(tǒng)研究了Y2O3含量對(duì)涂層組織和開(kāi)裂敏感性的影響規(guī)律。研究表明，當(dāng)Y2O3含量為1%時(shí)，涂層不同區(qū)域斷裂韌度均有所提高，平均斷裂韌度和不添加稀土的涂層相比提高了約20%。

4.4 輔助工藝處理

（1）基體預(yù)熱 在激光熔覆過(guò)程中，基體與熔覆層之間會(huì)產(chǎn)生很大的溫度差，通過(guò)基體預(yù)熱的方式可有效降低溫度差，延長(zhǎng)熔池壽命，有利于熔池中的氣孔排出，并且可減小因冷卻收縮在熔覆層和熱影響區(qū)引起的拉應(yīng)力，從而抑制熔覆層裂紋的產(chǎn)生。

李琦[30]通過(guò)在316L基體上激光熔覆制備N(xiāo)i60A自熔合金涂層，發(fā)現(xiàn)隨著基體預(yù)熱溫度的升高，單層多道熔覆層的裂紋逐漸減少，當(dāng)預(yù)熱溫度≥450℃時(shí)，熔覆層不再出現(xiàn)裂紋。張棟棟[36]采用不同的預(yù)熱溫度分別進(jìn)行了控制Colmonoy88、Colferoloy1240-P2、Wallax55、St12B、Co47-49-1等5種合金粉末的單道熔覆層裂紋的產(chǎn)生試驗(yàn)。結(jié)果顯示，隨著預(yù)熱溫度的升高，對(duì)抑制Colmonoy88和Wallax55熔覆層裂紋有一定效果，但單純采用預(yù)熱的方法不能完全消除裂紋；無(wú)論采用哪種預(yù)熱溫度，Colferoloy1240-P2熔覆層中都沒(méi)有裂紋產(chǎn)生，但熔覆層的硬度很低，耐磨性較差，不能滿(mǎn)足使用要求；當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到300℃時(shí)，可消除St12B熔覆層中的裂紋；當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)可以消除Co47-49-1熔覆層中的裂紋。王冉等[37]采用基體預(yù)熱的方法對(duì)在鈦合金表面制備的Al2O3和8%ZrO2的陶瓷熔覆層的裂紋敏感性進(jìn)行研究。不同預(yù)熱溫度下激光熔覆Al2O3-ZrO2陶瓷涂層SEM圖如圖4所示。由圖4可知，隨著預(yù)熱溫度的提高，熔覆層裂紋呈下降趨勢(shì)，預(yù)熱200～300℃時(shí)熔覆層的裂紋數(shù)量明顯減少。黃雪等[38]利用激光熔覆技術(shù)在304不銹鋼基體表面制備Co基合金并加入30%或60%的WC混合粉末的激光熔覆層時(shí)，利用電阻爐對(duì)基體進(jìn)行500℃的預(yù)熱處理，使加入30% WC的Co基合金涂層裂紋全部消除，加入60% WC的Co基合金涂層裂紋由多條減少到僅有6條，如圖5所示。

圖4 不同預(yù)熱溫度下激光熔覆Al2O3-ZrO2陶瓷涂層SEM圖[37]

圖5 經(jīng)預(yù)熱和未預(yù)熱的熔覆層的開(kāi)裂情況[38]

綜上研究表明，通過(guò)基體預(yù)熱處理抑制熔覆層開(kāi)裂時(shí)選擇的預(yù)熱溫度不宜過(guò)高。否則，一方面會(huì)增加預(yù)熱時(shí)間，另一方面會(huì)促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)，使晶粒變得粗大。因此，只有合理的預(yù)熱溫度才能有效抑制熔覆層的開(kāi)裂，同時(shí)不引起性能下降。

（2）激光重熔 激光重熔是在不外加熔覆材料的基礎(chǔ)上直接在基體上或在涂層上用高能激光束輻照，使其進(jìn)行再次熔化和凝固，這樣能夠有效愈合裂紋，減少缺陷。當(dāng)然，激光重熔的功率要合適，若功率太低，則不僅達(dá)不到愈合裂紋的效果，還會(huì)導(dǎo)致二次裂紋的產(chǎn)生。

張蕾濤[26]在45鋼激光熔覆Ni60/50%WC涂層試驗(yàn)中，對(duì)熔覆層依次進(jìn)行激光功率為0.5k W、1.0kW、1.5kW的激光重熔，使激光熔覆涂層的裂紋率從11.83%降到0。鄧德偉等[39]在激光熔覆制備Cu-18Pb-2Sn熔覆層后，選用相同功率的激光再次掃描熔覆層對(duì)其進(jìn)行重熔，在一定程度上孔洞的數(shù)量和大小都得到了相應(yīng)的改善，降低了熔覆層開(kāi)裂的概率。魯耀鐘等[40]對(duì)Inconel718合金粉末涂層進(jìn)行以激光功率為3kW的激光重熔處理，觀察到重熔后熔覆界面結(jié)合處的裂紋得到了抑制，如圖6所示。

圖6 激光重熔前后界面結(jié)合區(qū)[40]

4.5 場(chǎng)外輔助技術(shù)

超聲波振動(dòng)技術(shù)作為一種場(chǎng)外輔助技術(shù)應(yīng)用于激光熔覆過(guò)程中，利用高能超聲波在熔體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)等多種非線性效應(yīng)，可在極短時(shí)間內(nèi)改善熔池內(nèi)增強(qiáng)體與熔體的潤(rùn)濕性，同時(shí)將空化效應(yīng)產(chǎn)生的晶核擴(kuò)散至整個(gè)熔池中，有效提高了形核率，均化了溫度梯度和成分分布，降低了偏析程度，從而可有效降低熔覆層的開(kāi)裂敏感性[41]。

宋建麗[29]、王維[42，43]等研究了超聲波振動(dòng)對(duì)于抑制熔覆層裂紋的能力。研究發(fā)現(xiàn)，施加超聲波振動(dòng)相較于未施加超聲振動(dòng)的熔覆層，涂層晶粒尺寸明顯減小，裂紋率明顯降低。胡國(guó)放[44]以42CrMo鋼為基體，NiCrBSi合金粉末為熔覆層材料，用自行研制開(kāi)發(fā)的電-磁場(chǎng)、超聲波場(chǎng)和電-磁-超聲波復(fù)合場(chǎng)分別輔助進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)，復(fù)合輔助試驗(yàn)裝置如圖7所示。經(jīng)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，僅無(wú)輔助場(chǎng)的熔覆層有裂紋存在，其他3種有輔助場(chǎng)的熔覆層均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖7 復(fù)合輔助激光熔覆試驗(yàn)裝置[44]

5 結(jié)束語(yǔ)

激光熔覆技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的表面處理技術(shù)迅速發(fā)展并被廣泛應(yīng)用，但是熔覆層裂紋作為激光熔覆中最常見(jiàn)且最危險(xiǎn)的缺陷之一，是首先要解決的問(wèn)題。目前，關(guān)于熔覆層裂紋形成的原因、機(jī)理及控制方法均取得了較大的進(jìn)展，形成了從數(shù)值模擬、工藝優(yōu)化、裂紋預(yù)測(cè)與檢測(cè)、合金成分的調(diào)整到輔助工藝技術(shù)手段等諸多方面的研究成果，為熔覆層裂紋的預(yù)測(cè)和控制提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。然而，誘發(fā)熔覆層開(kāi)裂的影響因素眾多，且各個(gè)因素之間相互影響，因此單純地通過(guò)某一種方法控制裂紋，均存在一定的局限性。隨著新材料的不斷發(fā)展，建立一套涵蓋熔覆層材料數(shù)據(jù)庫(kù)、有限元分析、裂紋預(yù)測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、工藝參數(shù)優(yōu)化，以及輔助工藝等一體化的裂紋預(yù)測(cè)與控制技術(shù)，將是推進(jìn)激光熔覆技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵和重點(diǎn)研究方向。