李艷鵬 ，溫海駿 ?

1) 中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030051 2) 江蘇斯普瑞科技有限公司，宜興 214200

?通信作者, E-mail: 2712873783@qq.com

對(duì)于一些價(jià)格昂貴、加工工藝復(fù)雜、加工周期長(zhǎng)的不銹鋼工件來(lái)說(shuō)，修復(fù)再制造它們的受損疲勞破壞件無(wú)疑是一項(xiàng)重大的綠色工程，也是當(dāng)代工業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)的迫切需求。激光熔覆過(guò)程是一個(gè)變化較大的化學(xué)物理過(guò)程，熔覆結(jié)果主要受兩方面的制約，首先是熔覆材料與基體界面間原子的相互擴(kuò)散比較充分,形成穩(wěn)定結(jié)合，其次是激光熔覆過(guò)程的工藝參數(shù)對(duì)熔覆質(zhì)量至關(guān)重要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不銹鋼激光熔覆進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)探索。王圍等[1]以不銹鋼液壓油缸桿件為研究對(duì)象，采用熔覆技術(shù)對(duì)其再制造修復(fù)過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行分析，說(shuō)明了選用不銹鋼粉末修復(fù)各種類(lèi)型的液壓油缸桿件在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的可行性。楊寧等[2-7]基于激光熔覆不銹鋼工藝參數(shù)與熔覆層質(zhì)量的關(guān)系總結(jié)了掃描速度對(duì)于稀釋率和熔覆層成型厚度的影響。作為一種表面修復(fù)工藝，激光熔覆的參數(shù)設(shè)定會(huì)對(duì)熔覆結(jié)果有重要影響，熔覆粉末的選用也決定著熔覆層結(jié)果的優(yōu)劣。閆世興和董世運(yùn)[8]以不銹鋼為基體，對(duì)激光熔覆Fe314合金粉末進(jìn)行研究，結(jié)果表明其力學(xué)性能及熔覆層質(zhì)量良好。張驍麗等[9]采用鋁合金粉末選擇性對(duì)零件部位進(jìn)行激光熔化并優(yōu)化熔覆過(guò)程工藝參數(shù)。蒲亞博[10]以3Cr14不銹鋼為基體，對(duì)0.3C-18Cr合金粉末進(jìn)行研究，并通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)顯著提高了熔覆層的硬度。馮嘉寧[11]在304奧氏體不銹鋼表面制備N(xiāo)i60合金涂層，大大提高了材料的耐磨性。朱國(guó)斌[12]在304不銹鋼表面激光熔覆Ni基合金粉末，獲得耐蝕性較好的涂層。楊丹等[13]研究了不同工藝參數(shù)對(duì)304不銹鋼表面激光熔覆Ni基合金后熔覆層微觀組織及硬度、耐磨、耐蝕性能的影響，并尋求最佳激光工藝參數(shù)，以期獲得冶金結(jié)合較好，耐磨、耐蝕性能良好的熔覆層。郭澤東[14]采用礦用液壓支柱的不銹鋼材料作為基體，通過(guò)激光熔覆相應(yīng)不銹鋼粉末顯著提高了它的硬度、耐磨性和耐腐性。Pinkerton和Li[15]對(duì)激光在不銹鋼熔覆方面的應(yīng)用作了研究，發(fā)現(xiàn)了主要輸入工藝參數(shù)與成型試樣的尺寸、特性以及表面粗糙度之間的聯(lián)系。

鎳基合金具有耐蝕、耐磨、抗高溫蠕變和抗熱氧化性的特點(diǎn)，是激光熔覆合金體系的主要材料之一[16]。為推動(dòng)激光熔覆鎳基合金粉末在特定不銹鋼工件強(qiáng)化和修復(fù)上的應(yīng)用，本文利用功率可調(diào)制碟片激光器在不同激光功率、掃描速度、送粉速度和光斑大小下對(duì)In625鎳基合金粉末的激光熔覆進(jìn)行研究，探索出了In625不銹鋼鎳基合金粉末在ZG06Cr19Ni4Mo不銹鋼基板上的最優(yōu)激光熔覆工藝參數(shù)，并總結(jié)了激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)熔覆層高度、表面形態(tài)的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 材料及設(shè)備

選用三維激光加工系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)，激光熔覆系統(tǒng)及加工原理如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)包括碟片式激光器（德國(guó)TRUMPF TruDisk碟片式激光器，激光光束波長(zhǎng)為1020 nm，光束質(zhì)量≥2 mm·mrad，功率≤2000 W）、六自由度的酷卡六軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、激光熔覆系統(tǒng)（包括激光焊接頭、氣流式雙筒同步式GTV送粉器）、稀有氣體保護(hù)系統(tǒng)（保護(hù)氣體為氮?dú)?、送粉氣體為氦氣）、工裝夾具系統(tǒng)、機(jī)器人控制柜和冷水機(jī)等。

圖 1 同軸式送粉激光熔覆系統(tǒng)Fig.1 Laser cladding system of the coaxial powder feeding

選用ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼板作為基材，基體尺寸為200 mm×200 mm×12 mm，熔覆材料選擇In625鎳基合金粉末，粒度為50～150目，在此粒度范圍內(nèi)，激光熔覆效果受粒度影響不明顯。表1所示為熔覆粉末與不銹鋼基體的化學(xué)成分。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行激光熔覆前，要對(duì)選擇的熔覆粉末進(jìn)行加熱除濕，將足量In625合金粉在干燥箱中以90 ℃恒溫干燥處理2 h。利用打磨機(jī)對(duì)不銹鋼板實(shí)驗(yàn)面進(jìn)行磨光處理，使用工業(yè)乙醇浸濕的無(wú)塵紙擦拭、清洗、去除不銹鋼板表面的雜質(zhì)與油污。

根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)控制激光焊接頭到基板的距離來(lái)調(diào)節(jié)光斑大小為4 mm，搭接率為50%（步進(jìn)2 mm），按實(shí)際工程需要，將熔覆厚度控制在1.0～1.2 mm范圍內(nèi)，故送粉速度控制在2～3 r·min?1（60～90 g·min?1），同時(shí)分別選用氦氣、氮?dú)庾鳛樗头蹥馀c保護(hù)氣，其流量設(shè)定分別為4.7和12.0 L·min?1。在遵循保證實(shí)驗(yàn)效果且減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)的原則下，本次實(shí)驗(yàn)主要控制激光功率和掃描速度這兩個(gè)變量，分別用A和B來(lái)進(jìn)行表示。激光功率（A）控制在1500～2000 W之間，掃描速度（B）的變化范圍為3.3～6.7 mm·s?1，采用響應(yīng)曲面法擬定雙因素3水平的實(shí)驗(yàn)方案。

表 1 In625合金粉與ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the In625 alloy powders and ZG06Cr13Ni4Mo steels %

響應(yīng)面分析法也稱作響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)方法，是一種多元線性回歸分析方法。通過(guò)確定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)及因素水平編碼，結(jié)合相應(yīng)正交表對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行編號(hào)，然后依據(jù)編號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用回歸方程對(duì)因子與目標(biāo)值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行擬合，基于回歸方程確定最佳參數(shù)。激光熔覆工藝參數(shù)與編碼水平見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)方案如表3所示。

表 2 激光熔覆工藝參數(shù)與編碼水平Table 2 Laser cladding process parameters and coding level

表 3 實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Designed experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 方差分析

按照上述設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案以及設(shè)置的工藝參數(shù)進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)，其中4組重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于獲取激光功率與掃描速度對(duì)熔覆層高度交互影響的響應(yīng)面，剩余9組實(shí)驗(yàn)的多道搭接熔覆區(qū)宏觀形貌如圖2所示。由圖可知，按照從左到右（掃描速度為單一變量）、從上到下（激光功率為單一變量）的順序依次給熔覆區(qū)域進(jìn)行排序，分別為區(qū)域1～9，各個(gè)區(qū)域均為邊長(zhǎng)為40 mm的方形，9個(gè)區(qū)域基本都能夠完整成形，涂層表面未出現(xiàn)明顯的裂紋、塌陷等缺陷。熔覆層高度測(cè)量結(jié)果如表4所示。

圖 2 不同工藝參數(shù)下的熔覆層外觀形貌Fig.2 Appearance morphology of the cladding layer operated by the different process parameters

為了得到熔覆層高度（H）的回歸模型，利用Desigh-Expert軟件中的Response Surface模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，并采用方差分析方法對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估。表5是由響應(yīng)面分析軟件直接導(dǎo)出的具體方差分析結(jié)果，其中均方值（Mean square）表征影響因子對(duì)于響應(yīng)的影響程度，數(shù)值越大越顯著；P值是方差分析里面對(duì)模型和模型系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)得到的結(jié)果，表示分析對(duì)象的顯著性，若顯著，則說(shuō)明該模型是有效的；失擬項(xiàng)（lack of fit）是評(píng)判擬合方程可靠度的重要目標(biāo)，若失擬項(xiàng)結(jié)果不顯著則說(shuō)明擬合方程可靠性強(qiáng)。

表 4 熔覆層高度測(cè)量結(jié)果Table 4 Measurment results of the cladding layer height

表 5 熔覆層高度的方差分析Table 5 Variance analysis for the cladding layer height

表5的熔覆層高度方差分析結(jié)果表明，在送粉量一定的情況下，掃描速度（B）對(duì)于熔覆層高度的影響十分顯著（P＜0.0001），對(duì)激光功率（A）、AB、B2的影響比較顯著（P＜0.1000），對(duì)A2的影響不顯著（P＞0.1000）。通過(guò)對(duì)比均方值大小可知，影響要素的重要程度為B＞A。失擬項(xiàng)的P值表現(xiàn)為不顯著，說(shuō)明關(guān)于熔覆層高度的回歸方程有良好的可靠性。

采用Desigh-Expert中的攝動(dòng)圖和響應(yīng)面來(lái)評(píng)估各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)熔覆層高度的影響，結(jié)果如圖3所示，其中縱坐標(biāo)表示熔覆層高度，橫坐標(biāo)表示工藝參數(shù)對(duì)熔覆層高度的影響系數(shù)（a）。由圖3可知，在預(yù)定范圍內(nèi)，熔覆層厚度隨著掃描速度（B）的增加而逐漸遞減，這是由于激光對(duì)同步輸送的粉末熔融時(shí)間減少，熱輸入不足，可熔覆的有效粉末量減少；激光功率（A）與熔覆層高度呈近似線性關(guān)系（系數(shù)為負(fù)），這是因?yàn)橄♂屄实母叩团c激光功率的變動(dòng)密切相關(guān)，基體單位面積上獲取的能量跟激光功率的加大明顯上升，熔池的深度也明顯增大，且其變化趨勢(shì)要遠(yuǎn)大于熔覆層高度的變化。

利用Design-Expert軟件得到回歸預(yù)測(cè)模型和方差分析，其中激光功率（A）和掃描速度（B）的相互影響模型如圖4所示。由圖中激光功率和掃描速度對(duì)于熔覆層厚度的交互影響（AB）響應(yīng)面可以看出，響應(yīng)值（H）顯然由于因素A與因素B的降低而加大。這也說(shuō)明了，在保證送粉速度不變時(shí)，較低的激光功率與小的掃描速度相結(jié)合能夠形成高的熔覆層。

圖 3 工藝參數(shù)影響熔覆層高度的攝動(dòng)圖Fig.3 Effect of the process parameters on the cladding layer height in perturbation diagram

圖 4 激光功率和掃描速度對(duì)于熔覆層厚度交互影響的響應(yīng)面Fig.4 Response surface of the laser power and scanning speed to the interactive influence of the cladding layer height

2.2 金相組織

為了進(jìn)一步研究各個(gè)激光熔覆參數(shù)下熔覆涂層金相組織的變化，對(duì)各個(gè)成形區(qū)域進(jìn)行切割取樣，觀察熔覆層橫截面的金相組織。按照試樣選取、鑲嵌、試樣粗磨、試樣精磨、試樣拋光、試樣腐蝕的金相檢測(cè)步驟對(duì)試樣進(jìn)行前期處理，侵蝕過(guò)程采用液體體積比V（FeCl3）:V（HCl）:V（H2O）=1:10:20的腐蝕液進(jìn)行1 min的化學(xué)腐蝕。待試樣充分腐蝕后，使用GX50A倒置金相顯微鏡觀察熔覆層垂直于掃描方向的橫截面的幾何形貌及金相組織，結(jié)果如圖5所示。

圖 5 不同工藝參數(shù)下的熔覆層橫截面金相組織：（a）1500 W，3.3 mm/s；（b）1500 W，5.0 mm/s；（c）1500 W，6.7 mm/s；（d）1750 W，3.3 mm/s；（e）1750 W，5.0 mm/s；（f）1750 W，6.7 mm/s；（g）2000 W，3.3 mm/s；（h）2000 W，5.0 mm/s；（i）2000 W，6.7 mm/sFig.5 Metallographic structure of the cladding layer in the cross section under the different process parameters: (a) 1500 W, 3.3 mm/s;(b) 1500 W, 5.0 mm/s; (c) 1500 W, 6.7 mm/s; (d) 1750 W, 3.3 mm/s; (e) 1750 W, 5.0 mm/s; (f) 1750 W, 6.7 mm/s; (g) 2000 W,3.3 mm/s; (h) 2000 W, 5.0 mm/s; (i) 2000 W, 6.7 mm/s

從圖5可以看出，技術(shù)設(shè)定值的不同很大程度上影響著金相組織，圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）的金相組織顯示熔覆區(qū)與基體區(qū)的結(jié)合層不明顯，原因是激光功率偏小，熔覆金屬粉和基體攝入的能量不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)很好的熔融，很難形成明顯的結(jié)合層。從圖5（d）、圖5（e）、圖5（f）可以看出，隨著激光功率的增加，熔覆區(qū)和熔化區(qū)之間開(kāi)始形成比較明顯的結(jié)合層，但是由于激光功率還偏小，圖5（d）中存在少量裂紋，圖5（e）中存在氣孔，圖5（f）中有較多裂紋和氣孔，原因是在激光功率一定時(shí)，掃描速率加快會(huì)使熱量輸入有所下降，組織中出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷也在逐漸增多；在2000 W激光功率下得到的金相組織質(zhì)量明顯提高，在圖5（g）、圖5（h）、圖5（i）中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔、裂紋存在，主要區(qū)別是結(jié)合層的厚度由于掃描速度的加快而有所降低。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求以及產(chǎn)品對(duì)各個(gè)技術(shù)設(shè)定值的響應(yīng)程度，最終確定最優(yōu)的工藝參數(shù)為激光功率2000 W, 掃描速度5 mm·s?1。

2.3 最優(yōu)工藝參數(shù)熔覆實(shí)驗(yàn)

采用前期實(shí)驗(yàn)獲得的技術(shù)設(shè)定值重新安排實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)后的熔覆層樣品進(jìn)行相應(yīng)的硬度檢測(cè)，結(jié)果如下表6?；w材料ZG06Cr13Ni4Mo的布氏硬度為HB 217～HB 286，硬度實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)證實(shí)，合金熔覆層與所選不銹鋼的硬度值十分吻合。將磨制好的試樣置于70 ℃的體積比1:1鹽酸水溶液中進(jìn)行侵蝕，在低倍顯微鏡下觀察熔覆層低倍組織形貌，結(jié)果如表7和圖6所示。圖中基材是ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼，熔覆材料是In625合金粉，熔覆層截面無(wú)明顯裂紋、氣孔。綜合所述，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)激光熔覆In625合金粉能夠獲得質(zhì)量良好的熔覆層以及合格的產(chǎn)品。

表 6 硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Hardness test results

表 7 樣品缺陷列表Table 7 List of cdefects

圖 6 樣品低倍組織形貌Fig.6 Low magnification morphology of the samples

3 結(jié)論

（1）在ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼基體上熔覆In625合金粉，在維持送粉量不變的條件下，熔覆層高度對(duì)激光功率與掃描速度的響應(yīng)都比較明顯。激光功率和掃描速度直接決定著熔覆層能否完整形成，熔覆層的形成由單位時(shí)間、單位面積的激光能量決定，激光功率和掃描速度的大小決定輸入能量的強(qiáng)弱。

（2）要獲得優(yōu)質(zhì)的熔覆層，激光功率與掃描速度均存在一個(gè)合理的限度；維持掃描速度等參數(shù)穩(wěn)定的同時(shí)，提高激光功率，合金涂層質(zhì)量明顯提升。

（3）在考慮再制造時(shí)間成本和實(shí)際加工要求的情況下，熔覆工藝的最佳參數(shù)組合為激光功率2000 W，送粉量84 g·min?1，掃描速度5 mm·s?1，在此參數(shù)下獲得的熔覆試樣具有高質(zhì)量的熔覆層，無(wú)氣孔和裂紋，且表面光滑，其顯微硬度與基材自身硬度一致。