激光熔覆層裂紋的產(chǎn)生和抑制措施

于海洋

一重集團(tuán)天津重工有限公司

激光熔覆層裂紋是目前激光熔覆技術(shù)應(yīng)用中較為常見(jiàn)的問(wèn)題之一，雖然該技術(shù)融合了多學(xué)科知識(shí)內(nèi)容，整體技術(shù)水平比較高，但是易受到較多因素影響而存在熔覆層穩(wěn)定性差的問(wèn)題，無(wú)法保障技術(shù)精度，從而產(chǎn)生裂紋缺陷。為持續(xù)擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，改善技術(shù)缺陷，則應(yīng)對(duì)產(chǎn)生裂紋的因素進(jìn)行深入、細(xì)致分析，了解和掌握具體原因之后制定針對(duì)性的抑制措施，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆層裂紋的有效控制，這對(duì)該技術(shù)的性能優(yōu)化和應(yīng)用發(fā)展有著重要意義。

一、激光熔覆層裂紋的產(chǎn)生

（一）裂紋的形成機(jī)理

激光熔覆過(guò)程會(huì)產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，具有急熱急冷特點(diǎn)，通過(guò)快速加熱和迅速冷卻會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力拉伸，但由于熔覆層材料與基體之間的多種物理性能存在差異，所以在熔覆過(guò)程中產(chǎn)生較多殘余應(yīng)力，這類應(yīng)力若超出熔覆層的可承受能力，則容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，會(huì)在一些特殊位置出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，熔覆層表面氣孔、夾雜和微裂紋等都是產(chǎn)生裂紋問(wèn)題的源頭部位，開(kāi)裂嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致熔覆層脫落，無(wú)法保障產(chǎn)品熔覆質(zhì)量。

（二）熔覆層中的殘余內(nèi)應(yīng)力

第一，熱應(yīng)力。激光熔覆過(guò)程中由于熔覆層材料與基體材料的熱膨脹系數(shù)不同，在加熱和冷卻處理過(guò)程中每種材料的彈性變化、收縮膨脹速度和變形程度存在差異，導(dǎo)致熔覆層受到一定擠壓，在此過(guò)程中產(chǎn)生的作用力為熱應(yīng)力。熱應(yīng)力會(huì)對(duì)晶界產(chǎn)生一定作用生成脆性化合物，這類化合物與熔覆層熱膨脹系數(shù)不同，在差異過(guò)大和熱應(yīng)力超過(guò)材料屈服極限時(shí)就會(huì)導(dǎo)致晶界開(kāi)裂[1]。熱應(yīng)力的大小與材料溫差呈正比例關(guān)系，而且這一應(yīng)力也會(huì)隨著熔覆層熱膨脹系數(shù)的變化而表現(xiàn)出不同類型的應(yīng)力，在該系數(shù)超過(guò)基體熱膨脹系數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，若小于該系數(shù)則產(chǎn)生壓應(yīng)力，后者可減少熔覆層開(kāi)裂。

第二，約束應(yīng)力。激光熔覆層收縮過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫度梯度差，這就導(dǎo)致不同位置的溫度不同，收縮程度不同，對(duì)于產(chǎn)生收縮的位置，熔覆層收縮時(shí)會(huì)對(duì)其造成擠壓，產(chǎn)生的作用力為約束應(yīng)力。激光熔覆時(shí)熔覆層材料中間部位材料散熱速度要比四周慢一些，那么在收縮階段就會(huì)受到四周的擠壓，從而產(chǎn)生約束應(yīng)力?；蛘呷鄹膊牧霞訜崛刍糠植牧弦矔?huì)出現(xiàn)膨脹變形情況，而后在冷卻階段該部位縮小變窄，熔覆層就會(huì)受到約束從而產(chǎn)生約束應(yīng)力。一般情況下，熔覆層邊界部位會(huì)產(chǎn)生較為集中的熱應(yīng)力，若超出該結(jié)構(gòu)部位強(qiáng)度，則會(huì)導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

第三，組織應(yīng)力。熔覆層材料冷卻凝固的過(guò)程中其物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，液體凝固到冷卻至常溫過(guò)程中溫度狀態(tài)發(fā)生了改變，物相組織轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力屬于組織應(yīng)力。由于熔覆層材料相變過(guò)程具有復(fù)雜特點(diǎn)，不同相之間體積溫度、彈性模量、膨脹系數(shù)等變化存在較大差異，或者同一相中晶體的方向不同，上述系數(shù)也有所不同，所以會(huì)產(chǎn)生組織應(yīng)力。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，熔覆材料凝固階段若出現(xiàn)異常情況，晶界存在低熔點(diǎn)共晶物液膜，那么在應(yīng)力作用下很容易出現(xiàn)開(kāi)裂情況，隨著應(yīng)力增加熔覆層裂紋也會(huì)逐漸擴(kuò)大。一般會(huì)通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)的方式對(duì)激光熔覆過(guò)程中的組織應(yīng)力進(jìn)行控制。

（三）裂紋形成的影響因素

工藝參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理會(huì)對(duì)激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用效果產(chǎn)生直接影響，涉及的參數(shù)內(nèi)容比較多，如設(shè)備功率大小、掃描速率、預(yù)熱溫度、能量密度和線能量等。熔覆層裂紋發(fā)生率與激光設(shè)備的光斑直徑、掃描速度和功率等密切相關(guān)，功率越大，裂紋產(chǎn)生的數(shù)量和概率也越大。不同材料應(yīng)設(shè)置的工藝參數(shù)不同，若實(shí)際參數(shù)超出或者低于最佳參數(shù)，都會(huì)導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)。同時(shí)，粉末的類型也是導(dǎo)致激光熔覆層裂紋產(chǎn)生的主要因素，通過(guò)研究不同粉末對(duì)裂紋產(chǎn)生的影響可以發(fā)現(xiàn)，每種粉末形成的熔覆層質(zhì)量差異明顯，選擇與基體材料熱膨脹系數(shù)更為接近的熔覆材料則可控制裂紋產(chǎn)生。

二、激光熔覆層裂紋的抑制措施

（一）優(yōu)化工藝參數(shù)

第一，增加激光功率或減少送粉量。要想對(duì)激光熔覆層裂紋問(wèn)題的產(chǎn)生進(jìn)行抑制，則應(yīng)根據(jù)基體材料性質(zhì)特點(diǎn)對(duì)熔覆工藝參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，由于工藝參數(shù)類型較多，一般會(huì)分析對(duì)裂紋產(chǎn)生影響程度較大的工藝參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證熔覆層加熱冷卻過(guò)程中吸收的能量合理。有研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在不調(diào)整其他工藝參數(shù)的條件下，適當(dāng)增加激光設(shè)備功率或者減少粉末用量，能夠在一定程度上增大各部位接收的激光能量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)裂問(wèn)題的有效控制[2]。熔覆層所吸收的能量增加后裂紋面積逐漸減小，但在超過(guò)熔池接收能量范圍內(nèi)后裂紋面積也會(huì)逐漸擴(kuò)大，應(yīng)降低熔覆池稀釋率，控制熱應(yīng)力產(chǎn)生。

第二，降低能量密度和線能量。能量密度和線能量也是影響激光熔覆層裂紋產(chǎn)生的工藝參數(shù)，對(duì)這兩項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行控制，適當(dāng)降低參數(shù)值，則能夠抑制裂紋的產(chǎn)生，控制裂紋的面積和大小。為保障熔覆層質(zhì)量，與基體結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分結(jié)合，應(yīng)注意將上述參數(shù)調(diào)整到一定數(shù)值之上，不能出現(xiàn)數(shù)值過(guò)低的情況。同時(shí)，在確定激光熔覆能量密度和線能量的過(guò)程中也需要考慮到激光的掃描速度，送粉率等，綜合分析后進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化。另外，搭接率對(duì)激光熔覆層質(zhì)量的影響也比較大，該參數(shù)過(guò)大或者過(guò)小會(huì)導(dǎo)致熔覆層氣孔、開(kāi)裂或者表面凹陷，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)這一數(shù)值進(jìn)行合理選擇，從而優(yōu)化成型效果。

（二）合理設(shè)計(jì)熔覆層材料

第一，保證熔覆材料與基體材料相匹配。進(jìn)行熔覆層材料選擇和設(shè)計(jì)階段需要充分考慮到基體材料的性質(zhì)，選擇各方面性能與其相匹配的材料，通常要重點(diǎn)考慮材料之間的比熱容和熱膨脹系數(shù)，應(yīng)保障相關(guān)數(shù)值差異不大。對(duì)二者膨脹系數(shù)差異進(jìn)行控制可以降低熱應(yīng)力的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的有效抑制。在熔覆層熱膨脹系數(shù)偏小時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力通過(guò)壓應(yīng)力體現(xiàn)，也會(huì)減少裂紋問(wèn)題的發(fā)生率。由此可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)熔覆層材料的過(guò)程中應(yīng)從降低與基體材料這一系數(shù)之間的差異入手，盡可能減小二者的系數(shù)差。另外，還應(yīng)控制比熱容，若基體材料該指標(biāo)較大則會(huì)在熔覆過(guò)程中吸收較多熱量，在冷卻過(guò)程中導(dǎo)致熔覆層溫度梯度增加，從而導(dǎo)致表面裂紋產(chǎn)生，所以要保證二者比熱容相近。

第二，增強(qiáng)熔覆層材料韌性和塑性。激光熔覆層技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中可在運(yùn)用的材料粉末中加入合金元素，對(duì)熔覆層材料進(jìn)行合金化處理，有利于增加相關(guān)材料的韌性，那么在對(duì)基體進(jìn)行熔覆處理的過(guò)程中就可以降低裂紋問(wèn)題的出現(xiàn)。比如可以在NiCrBSi 粉末中加入鐵釩、鐵鈦、鐵硅合金，能夠增加所用熔覆材料的韌性，強(qiáng)化其抗裂性能[3]。NiCrBSi 激光熔覆層裂紋的發(fā)生率比較高，主要與其微觀組織分布較為雜亂和內(nèi)部韌性相關(guān)數(shù)量較少有關(guān)，而加入合金元素后可改變微觀組織結(jié)構(gòu)，熔覆層合金元素枝晶變粗，從而增加熔覆層整體韌性，避免裂縫出現(xiàn)。在熔覆層加入一些稀土元素和稀土氧化物，也能夠調(diào)整所用材料組織結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)細(xì)化處理，不但可以增強(qiáng)韌性也可以避免熔覆層出現(xiàn)硬脆現(xiàn)象，在抑制裂紋問(wèn)題方面能夠獲得良好效果。

第三，材料熱處理方法?？刂迫鄹睬昂蟮臏囟炔钅軌驕p少熱應(yīng)力產(chǎn)生，降低應(yīng)力作用導(dǎo)致的裂紋問(wèn)題。那么在實(shí)際應(yīng)用激光熔覆技術(shù)之前，應(yīng)注重對(duì)基體材料進(jìn)行預(yù)熱處理，縮小與熔覆層的溫度差。對(duì)于一些熔覆結(jié)束的產(chǎn)品可采用退火處理方式控制應(yīng)力的產(chǎn)生，常見(jiàn)方式為激光重熔，在消除熔覆后殘余應(yīng)力方面起到了良好作用。具體操作過(guò)程中不會(huì)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)造成破壞，無(wú)需進(jìn)行拆卸處理，直接進(jìn)行二次加熱。有學(xué)者對(duì)用激光重熔處理后的產(chǎn)品和未處理產(chǎn)品的裂紋情況進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)處理后的產(chǎn)品其熔覆層應(yīng)力分布更加均勻，殘余應(yīng)力比較小，與未處理產(chǎn)品的熔覆層相比拉應(yīng)力下降數(shù)值較為明顯。而且通過(guò)二次加熱處理后的熔覆層硬質(zhì)相的分布也較為均勻，不易發(fā)生裂紋。但是預(yù)熱處理也會(huì)降低基體熔覆層抵御外界影響的能力，實(shí)際進(jìn)行預(yù)熱處理或者熔覆后熱處理的過(guò)程中也要結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際情況進(jìn)行合理的處理設(shè)計(jì)。

（三）熔覆層應(yīng)力場(chǎng)的檢測(cè)及控制

第一，了解應(yīng)力場(chǎng)分布情況。熔覆層應(yīng)力場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品熔覆后表面裂紋的產(chǎn)生有著較大影響，該應(yīng)力場(chǎng)的影響因素比較多，容易受到熔覆層性能、溫度和基體材料韌性、強(qiáng)度、相變溫度點(diǎn)以及前期熱處理程度等方面的影響。在運(yùn)用激光熔覆技術(shù)過(guò)程中要先對(duì)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，了解其分布情況，并從控制裂紋問(wèn)題出現(xiàn)的角度出發(fā)進(jìn)行調(diào)整和控制，可降低其對(duì)裂紋產(chǎn)生的影響。要測(cè)定熔覆層各個(gè)方向的殘余應(yīng)力和應(yīng)力場(chǎng)，了解不同材料、不同工藝參數(shù)情況下的應(yīng)力分布情況，以此為依據(jù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，以此降低裂紋產(chǎn)生。

第二，減小熔覆層拉應(yīng)力。為實(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆層拉應(yīng)力的產(chǎn)生進(jìn)行有效控制，可通過(guò)在此過(guò)程中加入電磁場(chǎng)的方式來(lái)調(diào)整應(yīng)力，改變殘余應(yīng)力表現(xiàn)形式，將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，以此抑制裂紋產(chǎn)生。部分學(xué)者還采用先熔覆一層過(guò)渡層的方式來(lái)減小拉應(yīng)力，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知過(guò)渡層在減少殘余應(yīng)力方面的作用不明顯。由于激光熔覆技術(shù)應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)較多的化學(xué)現(xiàn)象和物理現(xiàn)象，所以進(jìn)行熔覆層應(yīng)力場(chǎng)的檢測(cè)存在一定難度，部分學(xué)者為保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的方式進(jìn)行測(cè)定，能夠獲得準(zhǔn)確結(jié)果，所以可以用這一測(cè)定方法為后續(xù)各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整提供參考數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的合理控制[4]。

（四）采用多種輔助方法

第一，超聲波振動(dòng)場(chǎng)。對(duì)多種類型輔助場(chǎng)的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，在熔覆過(guò)程中施加輔助場(chǎng)能夠?qū)θ鄢貐?shù)進(jìn)行控制與調(diào)整，但不會(huì)與材料直接接觸，避免了對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響。用振動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行輔助熔覆的過(guò)程中，在振動(dòng)作用下液體會(huì)向著一定方向流動(dòng)，而且振動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的聲音也會(huì)對(duì)液體流速產(chǎn)生不同程度的影響，輔助期間的機(jī)械效應(yīng)較為明顯，有利于熔池均勻傳遞熱量與質(zhì)量，還可以降低各部位的溫度差，改善熔覆層微觀組織結(jié)構(gòu)，保障結(jié)構(gòu)分布的均勻性，從而減少殘余應(yīng)力。超聲波振動(dòng)在調(diào)整熔覆層組織結(jié)構(gòu)和枝晶狀態(tài)方面能獲得良好效果，在超聲波振動(dòng)幅度加大的過(guò)程中枝晶破碎，內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步細(xì)化，增強(qiáng)了粉末的流動(dòng)性，使熔覆層更加均勻。但是在實(shí)際運(yùn)用超聲場(chǎng)的過(guò)程中也不能出現(xiàn)振幅過(guò)大的情況，否則會(huì)影響熔覆層的表面質(zhì)量，導(dǎo)致整體硬度下降。

第二，電磁輔助場(chǎng)。熔覆層成型階段會(huì)出現(xiàn)溫度梯度差，熔池表面溫度高低對(duì)其表面張力有著直接影響，所以也會(huì)形成表面張力梯度，由于中心部位吸收的能量較多，會(huì)逐漸向外圍流動(dòng)。在Marangoni 效應(yīng)作用和浮力作用下，熔池液體會(huì)產(chǎn)生壓力差從而出現(xiàn)中心熔體上浮現(xiàn)象，促進(jìn)了熱量和質(zhì)量傳遞。使用電磁輔助場(chǎng)可以向熔池中引入作用力改變?nèi)垠w流速，削弱熔池中的壓力差，還能對(duì)晶粒進(jìn)行細(xì)化處理，從而減少應(yīng)力產(chǎn)生。在熔池流速不斷加快的過(guò)程中熔覆材料內(nèi)部組織分布也更加均勻，所以能夠控制熱應(yīng)力的產(chǎn)生，防止熔覆層出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

第三，其他輔助方法。部分學(xué)者對(duì)復(fù)合輔助場(chǎng)對(duì)激光熔覆層裂紋的抑制作用與單一輔助場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)現(xiàn)耦合直流電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)的聯(lián)合輔助作業(yè)，觀察熔覆層枝晶破碎情況，通過(guò)研究結(jié)果可知，復(fù)合輔助場(chǎng)比單一輔助場(chǎng)的晶體細(xì)化程度更好，熔覆層各類元素的分布更加均勻，控制熔覆層裂紋的效果良好[5]。還有一些學(xué)者通過(guò)在熔覆層中加入不銹鋼網(wǎng)的方式控制了應(yīng)力的產(chǎn)生，該過(guò)程充分發(fā)揮了不銹鋼網(wǎng)的塑性性能和屈服性能，促進(jìn)了熔覆層中殘余應(yīng)力的釋放，降低了應(yīng)力影響。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，導(dǎo)致激光熔覆層裂紋產(chǎn)生的原因比較多，目前對(duì)于裂紋還缺乏相對(duì)完善、簡(jiǎn)單合理的控制與規(guī)避方法，實(shí)際進(jìn)行抑制處理時(shí)主要根據(jù)激光熔覆技術(shù)特性，依靠經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同材料進(jìn)行相應(yīng)處理。今后發(fā)展中還應(yīng)注重對(duì)熔覆層與基體之間作用機(jī)制的深入分析，結(jié)合具體情況對(duì)技術(shù)應(yīng)用的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，改變?nèi)鄹矊游⒂^結(jié)構(gòu)，同時(shí)也要對(duì)各種輔助手段進(jìn)行探索研究，根據(jù)該技術(shù)的應(yīng)用需求進(jìn)行多種控制措施和輔助技術(shù)的合理選用，從多方面入手實(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆層裂紋的有效控制，降低這類缺陷的發(fā)生率，以此推動(dòng)激光熔覆技術(shù)在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。