低温相变合金涂层激光熔覆工艺研究_杨超锋.pdf

2023年 第3期 热加工12增材制造专题Additive Manufacturing Topic低温相变合金涂层激光熔覆工艺研究杨超锋1，吴世品1，2，王权1，2，王雪娇1，马强31.天津职业技术师范大学机械学院 天津 3002222.汽车模具智能制造技术国家地方联合工程实验室 天津 3002223.天津金桥焊材集团有限公司 天津 300399摘要：低温相变合金是一种可以产生残余压应力的新型合金，同时具有抑制冷裂纹和抗变形的优点。为了探究低温相变合金的激光熔覆制备工艺，研究了不同激光功率、扫描速度和送粉速率对低温相变合金熔覆层的几何尺寸、成形质量、微观组织和力学性能的影响。研究结果表明：当激光功率为1200W、送粉速率为0.6r/min、扫描速度为12mm/s时，低温相变熔覆层与基体界面熔合良好，无微裂纹、气孔等缺陷。熔覆层组织为马氏体残留奥氏体组织，熔覆层硬度为408HV0.2，比基体提高2.3倍。关键词：激光熔覆；低温相变；成形质量；马氏体；硬度1 序言激光熔覆技术（Laser Cladding）是以高能激光为热源、使熔覆材料在基体表面熔化并形成致密合金涂层的技术。该技术熔覆材料范围广，使用无污染1；熔覆过程加热和冷却速度快，工序时间短2；熔覆涂层稀释率低，可形成良好的微观结构3。在激光熔覆过程中，工艺参数是影响熔覆层质量的关键因素，不合理的工艺参数会使熔覆层出现裂纹、气孔等缺陷。黄凤晓等4研究了激光扫描速度、送粉速率对熔覆层几何参数（宽度、高度）的影响。研究表明，随着扫描速率的增大，熔覆层的宽度、高度均减小；随着送粉速率的增大，熔覆层高度会增大。除此之外，合金粉材料也是影响熔覆层质量的重要因素。熔覆合金材料一般包括铁基、钴基和镍基等合金粉。大部分的合金粉在凝固过程中会产生拉应力5，残余拉应力的存在极易导致激光熔覆层出现裂纹、应力腐蚀或疲劳破坏6。低相变点（Low Transformation Temperature，简称LTT）合金是一种新型合金，在连续冷却过程中，利用低温区间发生马氏体相变产生的体积膨胀，抵消热收缩形成的残余拉伸应力，从而产生残余压应力，防止开裂，提高抗应力腐蚀性能和疲劳寿命。孙允森等7通过调整LTT合金中的Cr、Ni 含量发现，当马氏体开始转变温度（Ms）在300330时，LTT合金熔覆层可获得较大的残余压应力。徐淑文等8对比两种不同成分的LTT合金粉的激光熔覆层性能，研究结果表明，两种LTT合金熔覆层的硬度和耐磨性均比基体提高23倍，LTT1和LTT2最高硬度分别为448HV和421HV。目前，LTT材料在激光熔覆方面的应用相对较少，关于LTT合金熔覆层制备工艺的研究并不深入。因此，本文系统研究激光熔覆工艺参数对LTT合金涂层成形质量、组织和硬度的影响，通过改变激光功率、送粉速率和扫描速度等工艺参数，分析不同工艺参数组合对成形质量、稀释率的影响；同时，研究激光熔覆LTT合金涂层的微观组织特征和硬度，为LTT合金涂层制备和实际应用提供理论依据和指导。2 试验材料与方法2.1 试验材料试验基材选用100mm100mm100mm的Q355B钢，基材经研磨机和砂纸打磨后，采用无水乙醇清洗，以保证基材表面清洁。激光熔覆采用自基金项目：天津市教委科研计划项目(2020KJ104)、天津职业技术师范大学校级科研项目（KYQD202208）。2023年 第3期 热加工13增材制造专题Additive Manufacturing Topic主设计配制的LTT合金粉作为熔覆合金粉，粉末粒度为150目（106m），LTT合金熔覆层的化学成分见表1。表1LTT合金熔覆层化学成分（质量分数）（%）CSMnSiCrNiMoFe0.050.0040.770.228.115.410.41余量2.2 激光熔覆试验先利用球磨机将LTT合金粉混合均匀，再通过真空干燥箱加热烘干去除合金粉中的水分，烘干温度为110，烘干时间为40min。采用德国IPG光纤激光器和工业机器人手臂等仪器进行激光熔覆试验，连续熔覆10道，激光斑点2mm，离焦量18mm，搭接率为60%。根据LTT合金粉的特性和激光熔覆工艺特点，工艺参数范围选取激光功率10001400W，扫描速度816mm/s，送粉速率0.40.8r/min。试验通过改变激光功率、送粉速率和扫描速度制备不同的熔覆层，分析3个工艺参数变量因素与成形质量和稀释率之间的关系，以寻求最佳激光熔覆工艺参数，具体工艺参数见表2。表2LTT多道激光熔覆层的工艺参数试样编号激光功率 P/W送粉速率vf/（r/min）扫描速度vs/（mm/s）112000.412212000.612312000.812410000.612212000.612514000.612612000.68212000.612712000.6162.3 显微组织和硬度试验 沿垂直于激光熔覆方向线切割熔覆层，并将剖切面冷镶嵌，然后采用2402000目砂纸依次打磨截面，用磨抛机进行抛光，选用4%硝酸酒精溶液腐蚀基体，选用10gFeCl330mLHCl120mLH2O溶液腐蚀熔覆层，腐蚀时间为3090s，然后采用AMP-2S蔡司高级金相显微镜观察熔覆层的显微组织。硬度试验采用显微维氏硬度计分别检测熔覆层、热影响区和基体母材的硬度分布，载荷0.2kg（1.96N），保压时间15s。3 结果分析与讨论3.1 熔覆层表面宏观形貌 图1所示为不同工艺参数下LTT合金熔覆涂层的表面宏观形貌和白光干涉图。当激光功率为10001400W、扫描速度为816mm/s、送粉速率为0.40.8r/min时，熔覆后的熔覆涂层纹路均匀，表面光泽、平整，也未见微裂纹、气孔等缺陷。采用白光干涉仪观察涂层表面，其中不同工艺参数试样的表面粗糙度为18.135.8m，高度差为0.020.09mm，如图2所示。当激光工艺参数匹配不合理时，熔覆层表面成形质量较差，其中试样6（激光功率为1200W、扫描速度为8mm/s、送粉速率为0.6r/min）的扫描速度较慢，熔覆涂层表面纹路粗糙且不均匀，少部分区域有凹陷（见图1f）；同时，试样6的表面粗糙度值最高（见图2），表面成形较差。a）试样1 b）试样2c）试样3d）试样4e）试样5 f）试样6 g）试样7图1不同工艺参数下熔覆涂层表面外观形貌和白光干涉图2023年 第3期 热加工14增材制造专题Additive Manufacturing Topica）试样1 b）试样2c）试样3d）试样4e）试样5 f）试样6 图2不同工艺参数下表面粗糙度和高度差值3.2 涂层界面结合质量激光工艺参数的变化会引起激光能量密度的改变，从而影响熔覆涂层的成形质量。图3所示为不同工艺参数下LTT合金熔覆涂层界面形貌。从图3可看出，所有LTT合金涂层与基体结合的界面均呈现明显的波浪特征，厚度差最大值为 0.9mm，熔覆层与基体之间发生了互熔，且未见微裂纹、气孔等缺陷。其中，激光功率为1200W、扫描速度为12mm/s、送粉速率为0.8r/min时，即试样3的熔覆涂层界面出现微量小孔。g）试样7图3不同工艺参数下LTT合金熔覆涂层界面形貌根据激光能量密度公式（1）9，当激光功率和扫描速度不变时，激光能量密度不增加，而送粉量增大时，会导致激光能量不足，从而引起熔覆层与基体之间出现未熔合缺陷。b4PPDv=（1）式中Pb激光能量密度（Wh/m2）；D 光斑直径（mm）；v 扫描速度（mm/s）；P激光功率（W）。3.3 工艺参数对熔覆层几何尺寸的影响稀释率和成形系数是评价熔覆层成形质量的重要指数，稀释率过大时，易引起熔覆层开裂，稀释率过小时，基体与熔覆层结合不牢靠，稀释率低且成形系数大的熔覆层，其熔覆层成形质量越好，稀释率和成形系数n的计算公式10分别为 h/（hH）100%（2）nW/h （3）式中 W熔覆层宽度（mm）；H熔覆层高度（mm）；h母材熔化深度（mm）。图4所示为激光熔覆层的横截面几何尺寸。由于激光工艺参数与涂层质量的密切相关，因此通过Image J测量不同工艺参数的激光熔覆层横截面几何尺寸，并计算了成形系数和稀释率，结果见表3。图4涂层的界面几何尺寸表3LTT多道激光熔覆层的横截面几何尺寸试样编号熔覆层高度H/mm母材熔化深度h/mm熔覆层宽度W/mm稀释率（%）成形系数n10.90.310.52830.921.20.210.61744.231.60.210.81154.341.10.110.2992.851.20.410.92329.461.90.311.11439.570.90.310.52339.0根据表3激光熔覆工艺参数对熔覆层几何尺寸的影响可知，随着送粉速率从0.4r/min增大到0.8r/min（试样1试样3），LTT熔覆层的宽度略有增加，高度和成形系数逐渐增大，稀释率随之降低，稀释率最小为11%。送粉速率增大会导致送粉量增加，2023年 第3期 热加工15增材制造专题Additive Manufacturing Topic在相同激光热量下熔覆的金属增加，熔覆层高度和成形系数增大。其中，试样3送粉速度过大，导致涂层界面出现小孔及未熔合现象。随着激光功率从1000W增至1400W（试样4、试样2和试样5），熔覆层高度变化不明显，宽度和稀释率逐渐增大，成形系数降低。当激光功率逐渐增大时，熔覆时所释放的热量增加，在短时间内可熔覆更多的基体和熔覆材料，熔深逐渐增大，熔覆层的宽度增大。其中，试样4的激光功率过低，熔深浅，成形系数过大（92.8）。随着扫描速度从8mm/s增大到16mm/s（试样6、试样2、试样7），熔覆层宽度、高度降低，稀释率升高，成形系数呈先增大再降低的趋势。扫描速率的增大，热输入量降低，熔池金属来不及充分熔化和流动，因此熔覆层的高度和宽度随之降低，稀释率升高。其中，试样6由于扫描速度较慢，因此表面产生了凹陷。3.4 熔覆层显微组织分析由于试样3、试样4、试样6存在缺陷，所以选取试样1、试样2、试样5、试样7的熔覆层进行显微组织分析，如图5所示。在不同工艺参数下，LTT合金熔覆层的显微组织均由马氏体（M）和奥氏体（A）组成，其中以马氏体组织为主，马氏体组织呈柱状晶和胞状晶分布；由于LTT熔覆层是激光熔覆多道形成，在道间一定区域会存在对下一道熔覆层的影响，从而形成再热处理作用，使熔覆层道间形成胞状马氏体组织。在马氏体柱状晶之间分布着长条状的奥氏体，而在胞状马氏体区域，奥氏体呈网状分布。对比图5b与图5c可知，随着激光功率从1200W增加到1400W，激光能量增加，熔池高温停留时间长，马氏体组织长大粗化，残留奥氏体含量增加。对比图5c与5d可知，当扫描速度从12mm/s增加到16mm/s时，热输入降低，在冷却过程中原始奥氏体来不及长大即转变为马氏体组织，因此扫描速度增加后，熔覆层中的晶粒出现细化现象。马氏体相变的温度与材料的化学成分密切相关11，12，熔覆层中含有大量的Cr、Ni合金元素，导致Ms降低，在激光熔覆过程中当熔覆层金属冷却至Ms点温度，奥氏体开始转变为马氏体；从Ms点温度至室温，奥氏体不断转变为马氏体，因此在LTT合金熔覆层显微组织中可见大量的马氏体组织，同时有少量未完全转变的残留奥氏体。在不同激光工艺参数下，LTT合金熔覆层界面结合处热影响区（HAZ）的组织基本相同，图6所a）试样1b）试样2c）试样5d）试样7图5不同激光工艺参数下熔覆层的显微组织形貌2023年 第3期 热加工16增材制造专题Additive Manufacturing Topic示为基体母材和典型工艺参数下LTT熔覆层界面结合处热影响区的显微组织。基体母材的组织为珠光体（P）和铁素体（F），如图6a所示；熔覆层界面结合处热影响区分为粗晶区、细晶区和过渡区，如图6b所示；热影响区粗晶区由于激光熔覆过程中温度高，发生相变重结晶，因此冷却至室温时形成粗大的贝氏体组织，且在粗大晶粒的晶界处可见链状碳化物分布，如图6c所示；细晶区受激光熔覆热循环的影响，母材原有的组织发生相变重结晶，转变为细小的铁素体+少量弥撒的碳化物，如图6d所示。3.5