激光工藝參數(shù)對H13鋼粉末單道成形特性的影響

王岳亮,鐘永華,李福海,馬文有,陳興馳,盧冰文,劉 敏

(廣東省科學(xué)院新材料研究所 廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510650)

1 引 言

H13(45Cr5MoSiV1)鋼作為較為理想的熱鍛模具鋼,是金屬成型中最常用的模具鋼材料,但由于使用過程中頻繁受到高溫、沖擊載荷和冷卻液侵蝕等影響,在使用過程中極易損壞,過早失效,嚴(yán)重降低了H13熱作模具鋼的使用壽命,造成極大的資源浪費(fèi)[1-3]。激光增材再制造是以激光熔覆技術(shù)為基礎(chǔ),對服役失效零件及誤加工零件進(jìn)行幾何形狀及力學(xué)性能恢復(fù)的技術(shù)行為,不僅可以使損傷的零部件恢復(fù)外形尺寸,還可以使其使用性能達(dá)到甚至超過新品的水平,有效延長模具的使用壽命[4]。因而H13鋼的增材再制造修復(fù)研究非常重要。

激光增材再制造實(shí)質(zhì)是合金粉末快速熔化和凝固的過程,其形成層的形狀和性能與工藝參數(shù)密切相關(guān)。為獲得良好的熔覆效果,國內(nèi)外針對工藝參數(shù)對熔覆層形貌影響開展了相關(guān)研究。Marzban等[5]研究了在AISI 1040鋼表面激光熔覆時(shí)激光功率、送粉速率和掃描速率對熔覆層高度、寬度及熔池深度的影響規(guī)律。劉思奇等[6]研究了不同工藝參數(shù)對H13鋼表面制備Co42涂層的影響,指出工藝參量(離焦量、掃描速率、脈寬、頻率)對涂層的稀釋率、粗糙度和表面形貌等有很大影響。葉四友等[7]通過回歸分析研究在H13鋼表面制備H13合金涂層的工藝參數(shù)對單道熔覆層幾何形貌的影響規(guī)律。在激光增材再制造過程中,準(zhǔn)確預(yù)測單道成形層寬度和高度,能夠提高成形精度和再制造效率,并且為多道、多層激光熔覆工藝規(guī)劃提供依據(jù)[8-9]。本文在H13鋼基體上激光增材再制造H13粉末單道涂層,并分析不同工藝參數(shù)對再制造成形層幾何特征的影響規(guī)律,為激光增材再制造修復(fù)H13模具提供工藝基礎(chǔ)支撐。

2 試樣材料與方法

采用H13鋼模具鋼作為實(shí)驗(yàn)基材,使用前對基材H13鋼用酒精清洗干凈,去除表面油污鐵銹。熔覆粉末為H13模具鋼粉末,粉末粒度在50～150 μm之間,化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))如表1所示,使用前烘干。

表1 增材再制造H13鋼粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

激光熔覆設(shè)備采用TruDisk 6006激光器,其配置了6+2軸KuKa機(jī)械手,送粉頭采用3路同軸送粉；通入氬氣保護(hù),氣體流量為10 L/min。加工時(shí)采用正離焦,粉末匯聚點(diǎn)位于基體表面,激光工藝參數(shù)為:激光功率為2000～2600 W,光斑直徑為3～5 mm,送粉量由同步送粉器轉(zhuǎn)盤速度控制為0.27 g/s,熔覆過程中保持熔覆速度600 mm/min。

試樣經(jīng)磨樣拋光后采用5 %的硝酸酒精溶液(5 mL HNO3,95 mL無水乙醇)對截面和側(cè)面進(jìn)行腐蝕10 s,采用DMIRM550型(LEICA,德國)倒置式金相顯微鏡觀察試樣金相組織；用圖像測量分析軟件測量熔覆層的幾何尺寸,為了減少測量誤差,每個(gè)金相試樣熔覆層寬度W和高度H測量了5次取平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 成型單道的幾何特征

典型激光熔覆熔道截面如圖1(a)所示。通?？蓪⑷鄹矊拥臋M截面分為 3 個(gè)區(qū)域:熔覆區(qū)(CZ)、基體熔化區(qū)(MZ)、熱影響區(qū)(HAZ),激光熔覆材料的橫截面如圖1(b)所示,其中w表示基體熔化區(qū)的寬度,mm；h表示基體熔化區(qū)深度,mm；W表示熔覆區(qū)寬度,mm；H表示熔覆區(qū)高度,mm。

圖1 典型單道熔道層截面圖。

測量并統(tǒng)計(jì)的熔道和基體熔化區(qū)尺寸隨輻照激光變化關(guān)系如圖2中離散點(diǎn)所示。圖中的橫縱坐標(biāo)誤差棒顯示測量多個(gè)位置的測量范圍,最大約為8 %。其中圖2(a)為激光光斑尺寸為4.94 mm時(shí),熔道和基體熔化區(qū)幾何參數(shù)隨激光功率變化曲線,可以看到熔道寬度、高度及基體熔化寬度、深度均呈現(xiàn)隨激光功率的增加而增加的趨勢,且熔道寬度、高度為先迅速增大后緩慢增大趨勢,基體熔化區(qū)寬度、深度經(jīng)歷從接近0到逐漸增大的過程。圖2(b)為激光功率為2000 W時(shí),熔道和基體熔化區(qū)幾何參數(shù)隨激光光斑尺寸變化曲線?？梢钥吹饺鄣缹挾取⒏叨燃盎w熔化寬度、深度均呈現(xiàn)隨激光光斑尺寸的增大而減少的趨勢,且熔道寬度、高度為先幾乎不變后迅速減小的趨勢,基體熔化區(qū)寬度、深度隨光斑尺寸增大近似線性減少。

圖2 熔道寬度、高度及基體熔化寬度、深度隨激光參數(shù)變化曲線

采用同軸送粉方法進(jìn)行激光熔覆時(shí),激光功率、光斑直徑、掃描速度會影響能量密度的大小,為了綜合分析熔道幾何尺寸等的影響因素,引入了面能量密度ε,ε=P/VD。不同工藝參數(shù)下熔道寬度、高度,基體熔化寬度、深度變化曲線如圖3所示。熔道寬度、高度,基體熔化寬度、深度隨面能量密度增加都有增大趨勢,其中熔道寬度隨面能量密度增加先迅速增大,然后緩慢增加；基體熔化寬度隨面能量密度增加逐步增大,并在一定范圍內(nèi)迅速增大到與熔道寬度相等后緩慢增加；基體熔化深度隨面能量密度增加逐步增大。

圖3 熔道寬度、高度,基體熔化寬度、深度隨激光面能量密度變化曲線

在激光增材再制造過程中,激光、粉末和基體三者發(fā)送相互作用。激光束照射到粉末云上,一部分被粉末吸收,一部分透過粉末云照射到基體上,一部分以反射、散射、對流、輻射等方式損失掉。當(dāng)面能量密度較小時(shí),激光僅能熔化部分光斑范圍內(nèi)粉末成型熔道,粉末吸收大部分能量,反向基材吸收熱量較少,基材熱影響區(qū)小,在基材表面產(chǎn)生“熱屏蔽”效應(yīng),基體熔化區(qū)寬度、深度均接近0。隨著激光面能量密度的增大,基體區(qū)域接收的能量增大,熔池深度迅速增大,同時(shí),激光能量密度的增加也會將更多的金屬粉末熔化到熔池中使得熔道高度增加。然而,熔化一定的粉末量所需要的激光能量是確定的,一旦超過閾值,粉末易發(fā)生氣化甚至形成等離子體,導(dǎo)致熔覆層高度增大緩慢,甚至有減小的趨勢,明顯小于熔池深度增大的幅度。另一方面,由于高斯光束激光光斑中心處能量密度最高,當(dāng)面能量密度較小時(shí),僅激光光斑中部高能量密度區(qū)域范圍粉末可較好熔覆到基體,因而熔道寬度較小,同時(shí)基體熔化區(qū)域較淺,熱對流作用相對較小,基體熔化區(qū)域?qū)挾燃吧疃容^小。隨著面能量密度增大,熔覆區(qū)材料吸熱熔化充分,因而在一定范圍內(nèi)熔道寬度迅速增大,增大到與光斑直徑尺寸相當(dāng)時(shí)便開始緩慢增加,同時(shí),基體區(qū)域接收的能量增大,熔池寬度也相應(yīng)增大,直到與熔道寬度一致。

3.2 幾何特征主要影響因素分析

為研究各工藝參數(shù)對熔覆層形貌影響的相對大小,采用極差分析法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)和極差分析結(jié)果見表2和表3。通過極差分析可以獲得各激光工藝參數(shù)對熔覆層形貌影響的主次順序,極差R越大,說明該工藝參數(shù)對某一指標(biāo)的權(quán)重越大。從極差分析的結(jié)果可以看出對于熔覆層寬度影響較大的是激光光斑直徑；對于熔化區(qū)深度和寬度的首要的影響因素是激光光斑直徑。而2個(gè)工藝參數(shù)對熔覆層高度的極差R值非常接近,可認(rèn)為激光功率、激光光斑直徑對熔覆層高度的權(quán)重相同。從圖3中也可以看出高度在不同工藝條件下并沒有發(fā)生顯著變化,該極差分析結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 極差分析結(jié)果

3.3 激光再制造層的幾何特征模型

為分析獲得熔覆層幾何特征與工藝參數(shù)間的關(guān)聯(lián),建立再制造層幾何特征模型,假設(shè)粉末顆粒和基體的熱物理參數(shù)不隨溫度變化,粉末顆粒吸收率及發(fā)射率為一常數(shù),且粉末流對激光束能量的衰減恒定[10-11]。

一顆粉粒從環(huán)境溫度T0被加熱到熔化,所需的最小能量為:

(1)

粉末在光束中受到激光輻照吸收能量,同時(shí)通過對流、輻射的方式向周圍環(huán)境釋放能量。因此,在激光輻照時(shí)間內(nèi),一粒恰好熔化的粉末在光束中的能量平衡方程為:

(2)

忽略熔池內(nèi)部對流和表面張力、送粉氣和保護(hù)氣對熔池的擾動等因素影響,假設(shè)再制造層邊界由距激光束最遠(yuǎn)的被完全熔化的粉末決定,根據(jù)激光能量守恒,可以理論推導(dǎo)得到熔覆層寬度W的表達(dá)式:

(3)

粉末與激光相互作用過程中,可能由于部分粉末因吸收熱量不夠而來不及熔化成型,也可能由于部分粉末因加熱溫度過高燒損和飛濺落在熔池之外,使得粉末有效利用粉末質(zhì)量等于熔覆層的質(zhì)量。根據(jù)假設(shè),在激光作用時(shí)間t內(nèi),熔覆層質(zhì)量平衡方程如下:

(4)

進(jìn)而推導(dǎo)得到熔覆層高度H的表達(dá)式:

(5)

式中,η為粉末流的遮光率;α為激光吸收率;R為光斑半徑;rp為單個(gè)粉末顆粒球的半徑;ρ為金屬粉末的密度;c為金屬粉末的比熱容;ΔHm為金屬粉末的熔化相變熱;T為粉末熔點(diǎn);T0為環(huán)境溫度;Δt為粉末顆粒在激光束中受照射時(shí)間的最大值;ε為全發(fā)射系數(shù);σ為史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù);h*為熱交換系數(shù);k為粉末有效利用系數(shù);P為激光功率;vp為送粉速率;vs為掃描速率。

本實(shí)驗(yàn)所使用的模型所需工藝參數(shù)如表4所示。將各組參數(shù)代入模型計(jì)算后得到的理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較,作折線圖4。由圖4(a)(圓圈數(shù)據(jù))可以看出,當(dāng)粉末的激光吸收率為常數(shù)時(shí),熔道寬度的模型預(yù)測結(jié)果僅與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢基本符合,即在面能量密度較小時(shí),成型層寬度隨能量密度增大迅速增加；而當(dāng)面能量密度達(dá)到一定數(shù)值后,熔道寬度增速放緩。但明顯存在誤差,模型精度較低。采用變吸收系數(shù)的修訂模型擬合結(jié)果如圖4(a)(方塊數(shù)據(jù))所示,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合。

表4 激光增材再制造工藝參數(shù)及幾何特征模型系數(shù)

圖4 不同吸收系數(shù)下熔道寬度理論值與實(shí)驗(yàn)值比較和不同粉末有效利用率下熔道高度理論值與實(shí)驗(yàn)值比較

從圖5可以看出擬合吸收率隨激光能量密度近似線性增長,當(dāng)面能量密度由4.0 mJ/cm2提高到8.0 mJ/cm2時(shí),粉末的激光吸收率由0.2提升到了0.9。這主要是由于低能量密度激光作用時(shí),粉末升溫較慢,整個(gè)激光輻照過程中吸收率相對較低；高能量密度激光作用時(shí),粉末升溫較快,整個(gè)激光輻照過程中吸收率相對較高。

由公式(5)可知,在粉末利用率不變的情況下,成型熔道高度與成型熔道寬度成反比,亦即如圖4(b)(圓圈數(shù)據(jù))所示,成型高度隨能量密度增大呈先降低后趨于平緩的趨勢,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差很大。這主要是由于在激光增材再制造過程中,粉末利用率隨輻照能量密度變化而變化。采用變粉末利用率的修訂模型擬合結(jié)果如圖4(b)(方塊數(shù)據(jù))所示,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合。從圖5可以看出,當(dāng)激光能量密度較小時(shí),粉末有效利用率較低,僅為12 %,而隨著激光能量密度增大,粉末有效利用率逐漸增大,但增大趨勢逐漸趨于平緩,最大可達(dá)50 %～55 %。這也與激光增材再制造過程較為吻合,即當(dāng)面能量密度較小時(shí),激光僅能熔化部分光斑范圍內(nèi)粉末成型,大量粉末未被完全熔化,無法與基體形成冶金結(jié)合的熔覆層,從而導(dǎo)致粉末有效利用率低。而隨著激光能量密度增大,粉末逐漸充分吸收激光能量,有效利用率增大,待粉末充分熔化后,粉末有效利用率增長趨于平緩。

圖5 吸收率與粉末有效利用率隨激光面能量密度變化曲線

4 結(jié) 論

本文采用實(shí)驗(yàn)研究了H13鋼表面單道激光熔覆的H13熔覆層,結(jié)果表明隨著激光面能量密度的增加,熔池寬度、深度和熔覆層寬度、高度都會增加,且熔池深度有一直增大趨勢,而熔覆層寬度和熔池寬度經(jīng)歷快速增大到緩慢增大的變化過程,熔覆層高度則增大到一定程度后有降低趨勢。采用極差分析法分析了激光工藝參數(shù)對熔覆層熔道寬度、高度及基體熔化區(qū)寬度、深度的影響,分析發(fā)現(xiàn)對于熔覆層寬度、基體熔化區(qū)寬度、深度影響較大的是光斑尺寸,;激光功率、光斑尺寸對熔覆層高度的影響無顯著差別；同時(shí),也結(jié)合激光熔覆層幾何特征的數(shù)學(xué)-物理模型對激光熔覆過程進(jìn)行分析,數(shù)值擬合了不同能量密度激光的粉末利用率。發(fā)現(xiàn)隨著輻照能量增大,粉末綜合利用率先提高后趨于平緩。該結(jié)果可以激光增材再制造修復(fù)H13模具提供工藝基礎(chǔ)支撐。