脈沖頻率對激光熔覆層微觀組織與性能的影響

李云峰 石 巖

1.長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，長春，1300222.科技部光學(xué)國際科技合作基地，長春，130022

0 引言

激光熔覆技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，其主要目的是通過激光熔化金屬粉末在金屬基體表面形成高耐磨性、耐蝕性及耐高溫氧化性的優(yōu)質(zhì)涂層，從而提高被處理金屬表面的物理化學(xué)性能[1]。采用連續(xù)激光模式可以獲得組織相對均勻的熔覆層，但局部仍存在大量柱狀與樹枝狀晶粒，并且涂層耐磨性無法實現(xiàn)大幅提高[2-4]。部分學(xué)者通過添加碳化物實現(xiàn)涂層組織細(xì)化并提高了涂層的耐磨性，但碳化物顆粒易下沉且分布不均勻，對涂層性能的大幅提高產(chǎn)生不利影響[5-6]。

相比于連續(xù)激光，脈沖激光是通過控制電子光閘定時開關(guān)對連續(xù)激光斬波而形成的一種激光模式。脈沖激光對熔池具有攪拌作用，能夠增加熔池的對流循環(huán)，在降低溫度梯度的同時提高冷卻速率，從而改善激光熔覆層微觀組織與相關(guān)力學(xué)性能。有學(xué)者采用脈沖激光增材技術(shù)修復(fù)受損葉輪，通過脈沖激光工藝優(yōu)化有效消除了葉片與葉輪二次成形區(qū)的開裂傾向[7-8]。但以上研究未清晰地給出脈沖激光對涂層組織及內(nèi)部析出相產(chǎn)生的影響機理，并且未就脈沖激光熔覆涂層的耐沖擊性進行研究，而耐沖擊性是熔覆涂層在實際工程應(yīng)用中的重要性能。本文采用脈沖激光熔覆方法探討脈沖激光頻率對熔池熔化特性、晶粒組織變化的影響機制，研究脈沖激光頻率對抑制Ni基涂層顆粒相析出與改善耐磨、耐沖擊與耐腐蝕性能的機理。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗基材為ZG42CrMoA合金鋼，尺寸為120 mm×45 mm×15 mm。在激光熔覆前，將基材表面磨平并用丙酮清洗。試驗用Ni45粉末的硬度為45～50 HRC，顆粒尺寸為45～109 μm，化學(xué)成分分別為w(C)=0.45%、w(B)=2.40%、w(Si)=4.00%、w(Fe)=10.00%、w(Cr)=12.0%、w(Mn)=0.10%，其余為Ni。

1.2 激光熔覆設(shè)備及熔覆過程

激光器采用德國RofinDC050型CO2激光器，最大輸出功率5000 W，波長10.6 μm，光束模式為TEM00，光束質(zhì)量因數(shù)k≥0.9，光斑直徑為3 mm。運動裝置采用SLC-X1530/1020型四軸聯(lián)動數(shù)控機床。采用送粉頭與激光同軸的送粉方式完成激光熔覆過程。選用RC-PGF-D-2型雙筒載氣式送粉器為同軸送粉頭供粉，送粉量為5.0～9.0 g/min，載粉氣體與同軸保護氣體均為氬氣，送粉氣體流量為600 L/h，保護氣體流量為7 L/min。為減小熔覆過程中的開裂傾向，基材在試驗前進行300 ℃下預(yù)熱30 min，經(jīng)熔覆得到長×寬×厚為70 mm×20 mm×6 mm的激光熔覆層后，再在300 ℃下保溫2 h后隨爐冷卻。脈沖激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率3600 W、掃描速度5 mm/s、送粉量8.87 g/min。連續(xù)激光熔覆工藝參數(shù)為：激光功率2100 W、掃描速度5 mm/s、送粉量8.87 g/min。采用CR4000×2型高速攝像機對激光熔覆熔池進行圖像采集。激光熔覆工藝試驗設(shè)備與方法如圖1所示。

圖1 激光熔覆工藝試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser cladding process test

1.3 金相樣件制備及組織觀察

將激光熔覆涂層按圖2中的取樣位置切割成樣品(10 mm×5 mm×8 mm)。樣品經(jīng)切割、鑲嵌、研磨、拋光與腐蝕后制成微觀分析試樣，然后采用X射線進行衍射分析。腐蝕液采用體積比為3∶1的HCl與HNO3溶液。在JSM-6510F型掃描電鏡下拍攝涂層的微觀組織形貌，其加速電壓為20 kV。

圖2 金相試樣取樣位置Fig.2 Sampling position of metallographic sample

1.4 性能測試

采用MM200型磨損試驗機對激光熔覆層進行耐磨性能測試，配磨件為GCr15鋼環(huán)，硬度為61 HRC，直徑為50 mm，厚度為10 mm，表面粗糙度Ra=0.8 μm。在熔覆層中部按10 mm×10 mm×14 mm的尺寸切取三個磨損試樣，取樣位置如圖3所示。

圖3 磨損試樣取樣位置Fig.3 Sampling position of wear sample

測試時加載載荷為98 N，配磨件轉(zhuǎn)速為400 r/min，測試時間為30 min。通過計算磨損體積來評價材料的磨損率ω：

(1)

L=2πRvt

(2)

(3)

式中，Vloss為磨損體積，mm3；B為磨痕長度，mm；b為磨痕寬度，mm；R為配磨件半徑，mm；v為磨輪轉(zhuǎn)速，r/min；t為磨損試驗總時間；N為配磨件旋轉(zhuǎn)總?cè)?shù)；L為磨塊在樣件表面滑動的總長度，mm。

顯微硬度測試在MH-60顯微硬度測量儀上進行，載荷質(zhì)量為200 g，加載時間為10 s。

將激光熔覆涂層按圖4中的取樣位置切割成沖擊樣品(56 mm×11 mm×6 mm)，并按照圖5所示尺寸制成標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣。采用JB-W300J沖擊試驗機對標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣進行耐沖擊性測試。

圖4 沖擊試樣取樣位置Fig.4 Sampling position of impact sample

圖5 沖擊試樣示意圖Fig.5 Schematic diagram of impact sample

將激光熔覆涂層按圖6中的取樣位置切割成腐蝕樣品(φ14 mm×3 mm)，隨后對樣品上表面研磨后采用Zennuim電化學(xué)工作站在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中進行耐腐蝕性測試。熔覆層先在溶液中靜置30 min，待開路電位穩(wěn)定后進行動電位極化曲線的提取，其掃描電位范圍為-2 ～2 V，掃描速率為3 mV/s。

圖6 腐蝕試樣取樣位置Fig.6 Sampling position of corrosion sample

2 結(jié)果分析

2.1 脈沖激光頻率對涂層微觀組織的影響

按圖2中微觀分析區(qū)域?qū)Σ煌l率脈沖激光熔覆層進行掃描電鏡(SEM)分析，如圖7所示。隨脈沖頻率的增大，涂層中初生枝晶粗化，共晶區(qū)逐漸縮小。當(dāng)脈沖頻率為20 Hz時，涂層中形成細(xì)小等軸晶，局部區(qū)域形成尺寸較小的樹枝晶，共晶組織分布均勻。此外，在共晶區(qū)會析出亮白色顆粒相，其尺寸較小。隨著脈沖頻率增大至80 Hz，等軸晶尺寸未出現(xiàn)明顯增大，局部卻形成了較為粗大的柱狀晶粒，但共晶區(qū)析出的顆粒相明顯減少。當(dāng)脈沖頻率達(dá)到200 Hz時，涂層形成更粗大的柱狀樹枝晶，并在共晶區(qū)析出大量尺寸較大顆粒相，這與連續(xù)激光熔覆層微觀組織相似。

(a)f=20 Hz (b)f=80 Hz

對脈沖頻率為80 Hz的熔覆層與連續(xù)激光熔覆層進行EDS(energy dispersive spectrometer)點元素分析，測試點如圖7b與7d所示，分析數(shù)據(jù)如表2所列。其中，初生枝晶(A點)中Cr含量較連續(xù)激光熔覆層(D點)中Cr含量有所下降，但共晶組織(B點)中Cr含量較E點中Cr含量顯著升高，而亮白色顆粒(C點)中的Cr含量與F點中的Cr含量接近，證明此涂層中白色顆粒同為富Cr顆粒相。上述數(shù)據(jù)證明脈沖激光能有效減少富Cr相的析出。

表2 涂層EDS元素分析結(jié)果Tab.2 EDS element analysis of coating

2.2 脈沖激光頻率對熔池及涂層組織的影響機理

為分析脈沖頻率對涂層組織與析出相的影響機理，采用高速攝像機對脈沖激光熔池形貌進行表征。圖8所示為脈沖頻率20 Hz時熔池的形貌。為便于描述分析，以20 Hz脈沖頻率波形圖為例，將脈沖激光峰值定義為波峰，谷值定義為波谷。由圖8a可見，脈沖激光功率在脈沖波峰與波谷處發(fā)生周期性起伏變化。當(dāng)激光加載至第25 ms時，熔池亮度達(dá)到最大，隨后激光處于脈沖波谷范圍內(nèi)，熔池亮度逐漸降低，至t=50 ms時，熔池亮度達(dá)到最小值。下一個脈沖周期開始后，熔池再次出現(xiàn)并逐漸增大，至75 ms時熔池尺寸亮度再次達(dá)到最大，隨后激光再次進入脈沖波谷范圍，熔池亮度降低，在t=100 ms時熔池凝固。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因為20 Hz的脈沖波峰持續(xù)時間相對較長，熔池會吸收更多激光能量，使熔池溫度顯著升高，表現(xiàn)出的特征就是熔池亮度明顯增強。當(dāng)激光在波谷被長時間關(guān)閉時，熔池溫度顯著下降，使熔池亮度明顯降低。

(a)脈沖波形 (b)t=0波峰 (c)t=25 ms波峰

脈沖頻率為80 Hz的脈沖激光熔池出現(xiàn)了與20 Hz脈沖激光熔池相同的周期性變化規(guī)律，如圖9所示。同時，由于脈沖周期縮短，在下一個脈沖開光前熔池處于未完全凝固狀態(tài)。此外，處在脈沖波峰時的熔池亮度有所下降，這是由于脈沖頻率為80 Hz的脈沖波峰時間顯著縮短，熔池所能吸收的激光能量減少，導(dǎo)致熔池溫度降低，熔池亮度減弱。同時由于波谷時間縮短，熔池冷卻時間縮短，導(dǎo)致亮度未發(fā)生顯著下降。

(a)脈沖波形 (b)t=0波峰 (c)t=6.25 ms波峰

當(dāng)脈沖頻率達(dá)到200 Hz時(圖10)，熔池亮度明顯下降。同時，由于脈沖周期極小(僅為5 ms)，導(dǎo)致熔池亮度在下一個脈沖開光前基本未發(fā)生明顯變化，證明熔池狀態(tài)基本未變。這是由于脈沖頻率為200 Hz時脈沖波峰與波谷時間極短，熔池在波峰所能吸收的激光能量明顯少于20 Hz和80 Hz時所能吸收的激光能量，進而使得熔池溫度顯著下降，熔池亮度減弱，而極短的波谷時間又會使熔池來不及冷卻，故亮度基本未發(fā)生變化。

(a)脈沖波形 (b)t=0波峰 (c)t=2.5 ms波峰

圖11所示為連續(xù)激光熔池高速攝像形貌。由于連續(xù)激光功率隨時間不發(fā)生明顯改變，因此圖11中未出現(xiàn)與脈沖激光熔池相似的特征，但脈沖頻率為200 Hz時的熔池形貌已明顯接近連續(xù)激光熔池形貌。

(a)t=5 ms (b)t=10 ms (c)t=15 ms圖11 連續(xù)激光熔池高速攝像形貌Fig.11 High-speed imaging of continuous laser molten pool

為分析脈沖頻率對熔池溫度變化的影響，采用有限元分析方法對熔覆層溫度場進行模擬。首先采用六面體與四面體混合單元建立網(wǎng)格模型，如圖12所示。其中，熔覆層網(wǎng)格尺寸為0.2 mm。密度為8.28×103kg/m3，彈性模量為180 GPa，泊松比為0.33?；谋韺蛹s0.4 mm厚區(qū)域為細(xì)密網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.2 mm。遠(yuǎn)離待熔覆區(qū)的網(wǎng)格尺寸逐漸增大，最大網(wǎng)格尺寸為2 mm，基材密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為212 GPa，泊松比為0.28。

圖12 單道激光熔覆網(wǎng)格模型Fig.12 Single-pass laser cladding mesh model

采用2D高斯面熱源作為激光熔覆的熱源模型。根據(jù)連續(xù)激光熔覆工藝參數(shù)(激光功率2100 W，掃描速度300 mm/min)進行熱源校核，得到圖13a所示的溫度場結(jié)果。同時，采用相同工藝進行熔覆試驗，得到圖13b所示的形貌。將模擬結(jié)果與實際熔覆層相對比(圖13c)后發(fā)現(xiàn)，兩者形貌基本吻合，證明熱源校核結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

(a)熔覆層溫度場

采用上述熱源模型經(jīng)有限元分析得到圖14所示的溫度場云圖。由圖14可見，脈沖頻率對1400 ℃以上的熔池高溫區(qū)(紫色區(qū))具有一定影響。脈沖頻率f=20 Hz時，激光波峰作用時熔池最高溫度達(dá)到1945 ℃，熔池高溫區(qū)直徑較大，而激光停止后的波谷段熔池溫度快速降至1378 ℃，熔池高溫區(qū)直徑快速縮小。這是由于激光在脈沖波峰時對熔池進行長時間輻照，使熔池內(nèi)最高溫度明顯升高，進而使高溫區(qū)直徑增大。

隨著脈沖頻率增大至80 Hz，脈沖波峰作用下的熔池溫度下降至1832 ℃，波谷段溫度降幅減小，熔池高溫區(qū)尺寸明顯縮小。相比于脈沖頻率20 Hz，當(dāng)脈沖頻率為80 Hz時，由于激光對熔池作用時間縮短，熔池的最高溫度增幅減小，導(dǎo)致高溫區(qū)直徑縮小；當(dāng)脈沖頻率增大至200 Hz時，熔池波峰段溫度明顯降低，而波谷段溫度較波峰段未發(fā)生顯著下降，并且脈沖波峰段與波谷段的熔池高溫區(qū)基本接近。脈沖頻率為200 Hz脈沖波谷作用時熔池溫度(1722 ℃)略高于連續(xù)激光熔覆熔池溫度(1692 ℃)。

(a)f=20 Hz波峰

根據(jù)上述模擬結(jié)果提取熔池瞬時熱循環(huán)曲線，如圖15所示。脈沖頻率為20 Hz時脈沖激光熔池溫度會迅速升高至峰值溫度，然后保持一段時間穩(wěn)定，隨后快速下降至最低溫度。當(dāng)脈沖頻率增至80 Hz時，熔池升溫與降溫的幅度較脈沖頻率為20 Hz時有明顯下降，同時高溫停留時間明顯縮短。當(dāng)頻率達(dá)到200 Hz時，熔池溫度呈三角波形變化，且變化幅度最小，熔池未出現(xiàn)明顯的高溫停留時間。而連續(xù)激光熔池溫度基本穩(wěn)定在1700 ℃附近，接近于脈沖頻率為200 Hz時熔池最低溫度。上述數(shù)據(jù)可以證明熔池亮度與高溫區(qū)直徑隨脈沖頻率的變化規(guī)律。

圖15 不同頻率下脈沖激光熔池?zé)嵫h(huán)曲線Fig.15 Thermal cycle curves of pulsed laser molten pool with different frequencies

熔池金屬凝固后的組織形態(tài)通常受到熔池溫度梯度G與晶粒生長速度R的影響，且晶粒生長速度基本等同于凝固速率。其中，晶粒大小與熔體冷卻速率相關(guān)，冷卻速率是G與R的乘積(GR)。晶粒形態(tài)與形貌參數(shù)有關(guān)，形貌參數(shù)為G與R的比值，見圖16[9]。為進一步深入分析脈沖頻率對涂層組織變化的作用機理，對有限元模擬所得熔池溫度場進行溫度采集，測量相同時間單位距離的熔池溫度，得到G。同時，測量相同位置熔池單位時間的溫度，得到GR。隨后，GR與G的比值即為R，進而得到G/R值。所得數(shù)據(jù)如表3所列。

圖16 溫度梯度與生長速率對晶粒形狀與尺寸的影響[9]Fig.16 Influence of temperature gradient and growth rate on grain shape and size [9]

表3 不同脈沖頻率下熔池溫度參數(shù)Tab.3 Temperature parameters of molten pool at different pulse frequencies

由表3可知，隨著脈沖頻率的增大，熔池的G與R逐漸降低，與連續(xù)激光熔池相比，脈沖激光熔池具有更大的R與GR。由圖16可知，GR越大，晶粒越細(xì)化。隨著G/R減小，晶粒形態(tài)從粗大的柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變。因此，結(jié)合圖10與表3中數(shù)據(jù)可以得知，激光脈沖頻率為20 Hz的熔池表現(xiàn)出最快的GR(7926.38 ℃/s)與最小的G/R(59.935 ℃·s/mm2)，因此涂層內(nèi)晶粒尺寸較小且未出現(xiàn)粗大柱狀晶組織，并形成較多的細(xì)小等軸晶。

由于熔池溫度隨脈沖起伏變化幅度較大，在低溫區(qū)熔池發(fā)生部分凝固，因此，經(jīng)過周期性熔化與凝固過程，熔覆層受到較為明顯的熱影響作用，導(dǎo)致涂層內(nèi)部析出大量顆粒相，但由于熔池冷卻速率相對較快，因此會產(chǎn)生更大的成分過冷，從而降低顆粒相的臨界形核尺寸，最終形成細(xì)小的顆粒相[10]。

隨著脈沖頻率增大至80 Hz，熔池的GR(4589.84 ℃/s)與G/R(102.25 ℃·s/mm2)數(shù)值增大，導(dǎo)致凝固后涂層出現(xiàn)樹枝晶，且等軸晶尺寸有所增大。由于頻率為80 Hz時脈沖周期明顯縮短，脈沖激光發(fā)生頻繁的周期性起伏，使熔池在高溫與低溫間快速升降，增強了對熔池的攪拌作用，從而使得熔池中的Cr元素均勻分布，顆粒相析出量減少。但由于熔池冷卻速度減小，增加了部分Cr元素的析出時間，因此在涂層局部會產(chǎn)生個別顆粒尺寸較大的顆粒相。

隨著脈沖頻率增大至200 Hz，熔池具有最小的GR值(3607.47 ℃/s)與最大的G/R值(123.71 ℃·s/mm2)，因此會形成粗大的樹枝晶與柱狀晶組織。由于脈沖頻率為200 Hz時脈沖周期極度縮短，因此高溫與低溫的變化幅度極小，熔池受到的攪拌作用顯著降低，使得熔池冷卻速度明顯下降，最終導(dǎo)致涂層中析出大量尺寸較大的顆粒相[11]。

2.3 脈沖激光頻率對涂層耐磨性能的影響

圖17所示為脈沖激光不同頻率下熔覆層的顯微硬度。隨著脈沖頻率的增大，涂層硬度逐漸減小。低頻脈沖激光對硬度的提高主要來源于晶粒的細(xì)化。

圖17 不同頻率脈沖激光熔覆層顯微硬度Fig.17 Microhardness of pulsed laser cladding coating at different frequencies

隨著脈沖頻率逐漸達(dá)到80 Hz，涂層晶粒尺寸逐漸增大，硬度相應(yīng)減小。當(dāng)脈沖頻率過高后，涂層組織發(fā)生明顯粗化，使涂層硬度大幅減小，并與連續(xù)激光熔覆層相接近。

圖18所示為不同頻率脈沖激光熔覆層磨損率。可見，隨著脈沖頻率的增大，涂層磨損率增大，并逐漸向連續(xù)激光熔覆層磨損率數(shù)據(jù)靠近。其中，脈沖頻率為20 Hz時的熔覆層磨損率最小，較連續(xù)激光熔覆層磨損率減小了30.96%，表明它的耐磨性最佳。隨著脈沖頻率達(dá)到80 Hz，相比于連續(xù)激光熔覆層涂層磨損率減小了26.63%，當(dāng)頻率升至200 Hz時，涂層磨損率僅減小2.32%。

圖18 不同頻率脈沖激光熔覆層磨損率Fig.18 Wear rate of pulsed laser cladding coating at different frequencies

為分析脈沖激光熔覆層的磨損機理，采用SEM對磨損形貌進行分析，如圖19所示。磨損形式主要以磨粒磨損為主，局部伴有少量磨損剝落現(xiàn)象。隨著脈沖頻率由20 Hz增大至200 Hz，犁溝數(shù)量逐漸減少，犁溝寬度逐漸增大，剝落與黏著磨損形貌逐漸增加。

(a)f=20 Hz (b)f=80 Hz

根據(jù)涂層顯微硬度數(shù)據(jù)，脈沖頻率為20 Hz的激光熔覆層具有較高的硬度，因此，磨損過程中抵抗塑性變形能力較強，不易產(chǎn)生黏著磨損。同時，涂層較大的脆性會在磨損過程中導(dǎo)致材料剝落形成磨屑，磨屑進入摩擦副中形成磨粒，導(dǎo)致磨粒磨損并形成犁溝，而涂層的硬度較大能有效抵抗磨粒切削，導(dǎo)致在涂層表面形成較窄的犁溝。此外，根據(jù)微觀組織分析，涂層晶粒尺寸較小，組織細(xì)化均勻，同時在共晶區(qū)析出尺寸較小的富Cr顆粒相。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系式[12]，晶粒直徑d越小則σε越大：

σε=σε0+Kεd-1/2

(4)

式中，σε為流變量為ε時的應(yīng)力；σε0為單晶強度；Kε為晶界強化系數(shù)；d為晶粒平均直徑；Kε、σε0均為由試驗確定的常數(shù)。

因此，晶粒細(xì)化可提高涂層強度，從而有效抵抗微凸體的切削作用，降低涂層的塑性流變，進而緩解涂層黏著磨損。同時，涂層組織細(xì)化所形成的密集細(xì)小晶粒帶來較多晶界，提高了晶界阻礙位錯滑移的能力，使晶粒不易發(fā)生塑性變形[13]，進而表現(xiàn)為涂層磨損率減小。而涂層中彌散分布的小尺寸富Cr顆粒相會形成彌散強化作用，增強涂層的耐磨損性能。

隨著脈沖頻率增大至80 Hz，涂層中的晶粒尺寸增大，晶粒強度減小，晶界與共晶區(qū)面積減小，從而降低了晶界對位錯滑移的阻礙作用。同時，涂層硬度隨著脈沖頻率的增大而減小，磨粒使材料表面切削寬度與深度增大，進而形成較深的犁溝并使局部黏著磨損現(xiàn)象增加，使涂層耐磨性能下降。

當(dāng)脈沖頻率增大至200 Hz時，涂層硬度接近于連續(xù)激光熔覆涂層，且涂層中形成了與連續(xù)激光熔覆涂層相同的粗大樹枝晶，從而大幅降低了晶界強度與阻礙位錯運動的能力，加劇了涂層黏著磨損。同時，涂層中大尺寸富Cr顆粒相會大量脫落，加劇了材料表面的磨損破壞，從而降低涂層耐磨性[12]。

2.4 脈沖激光頻率對涂層耐沖擊性能的影響

圖20所示為脈沖激光不同頻率下熔覆層的沖擊韌性。由圖20可見，隨脈沖頻率增大，涂層沖擊韌性呈先升后降的趨勢。脈沖頻率為20 Hz時熔覆層的沖擊韌性值較連續(xù)激光熔覆層韌性值僅提高15.99%。脈沖頻率為80 Hz時的熔覆層沖擊韌性值最大，較連續(xù)激光熔覆層韌性值提高了29.94%。而激光頻率為200 Hz時的熔覆層沖擊韌性值已接近連續(xù)激光熔覆層的沖擊韌性值，韌性值僅提高約0.54%。上述分析表明，80 Hz脈沖頻率能有效提高涂層耐沖擊性。

圖20 不同頻率脈沖激光熔覆層沖擊韌性Fig.20 Impact toughness of pulsed laser cladding coating at different frequencies

圖21所示為脈沖激光不同頻率下熔覆層沖擊斷口形貌。由圖21可見，相比于連續(xù)激光熔覆涂層，脈沖頻率為20 Hz時的熔覆層斷口呈現(xiàn)出較為密集的細(xì)小斷面。結(jié)合微觀組織可知，小斷面的大小與晶粒的尺寸基本接近，說明涂層斷裂形式為沿晶斷裂。

(a)f=20 Hz (b)f=80 Hz

由于脈沖頻率為20 Hz時熔覆層的晶界析出細(xì)小的富Cr顆粒相，該顆粒相會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，使涂層形成微裂紋，因此會對涂層耐沖擊性產(chǎn)生不利影響，但是20 Hz頻率會使涂層組織得到顯著細(xì)化，從而形成密集晶界與共晶區(qū)，使得晶界總能量及晶粒沿晶斷裂所需的能量增加，從而消耗較多沖擊能量[14]。由于涂層未形成過多的富Cr顆粒相，使其分布區(qū)域面積小于晶界與共晶區(qū)面積，因此斷裂所需總能量仍較高，進而使涂層表現(xiàn)出更大的沖擊韌性。

隨著脈沖頻率達(dá)到80 Hz，涂層形成的小斷面尺寸有所增大。這主要是由于脈沖頻率的增大使涂層中晶粒尺寸增大，導(dǎo)致涂層在斷裂時形成較大面積的晶粒斷面。由于脈沖頻率為80 Hz時熔覆層的顆粒相數(shù)量較脈沖頻率為20 Hz熔覆層的顆粒相數(shù)量有所減少，使應(yīng)力集中點數(shù)量減少，晶粒斷裂所需能量增大，同時，涂層組織也未發(fā)生顯著粗化現(xiàn)象，晶界與共晶區(qū)面積未發(fā)生大幅縮小現(xiàn)象，因此涂層仍具有較大的晶界總能量。上述過程共同作用使涂層沖擊韌性顯著提升。

當(dāng)脈沖頻率達(dá)到200 Hz時，斷口與連續(xù)激光熔覆層相似，存在粗大的樹枝狀沿晶斷面。脈沖頻率為200 Hz時熔覆層晶粒組織發(fā)生明顯粗化，同時在晶界形成更多尺寸較大的富Cr顆粒相，這就直接導(dǎo)致晶界總能量降低，并產(chǎn)生大量應(yīng)力集中點，最終使涂層沖擊韌性下降。

2.5 脈沖激光頻率對涂層耐腐蝕性能的影響

圖22為脈沖激光不同頻率下熔覆層極化曲線。由圖22可見，各涂層所對應(yīng)的極化曲線在不同電壓范圍的陽極區(qū)發(fā)生鈍化現(xiàn)象。其中，脈沖頻率達(dá)到80 Hz時，涂層具有最大的鈍化區(qū)電壓范圍(-0.65～-0.15 V)，表明涂層已形成穩(wěn)定鈍化膜。

圖22 不同頻率脈沖激光熔覆層極化曲線Fig.22 Polarization curve of pulsed laser cladding coating at different frequencies

對上述極化曲線進行數(shù)據(jù)擬合，得到圖23所示的各涂層自腐蝕電流密度。由圖23可見，隨著脈沖頻率的增大，自腐蝕電流密度先降后升。當(dāng)脈沖頻率為80 Hz時，涂層具有最小的腐蝕電流密度，較連續(xù)激光熔覆層電流密度減小了40.08%，表明80 Hz的脈沖頻率能使涂層獲得最佳的耐腐蝕性。

圖23 不同頻率脈沖激光熔覆層自腐蝕電流密度Fig.23 Self-corrosion current density of pulsed laser cladding coating at different frequencies

為了深入了解脈沖激光熔覆涂層的腐蝕機理，采用掃描電鏡對涂層腐蝕形貌進行微觀分析。圖24所示為脈沖激光熔覆涂層的電化學(xué)腐蝕形貌。

(a)f=20 Hz (b)f=80 Hz

由圖24可以看出，脈沖頻率為20 Hz時的涂層腐蝕面積較大，表面產(chǎn)生為數(shù)不多的小腐蝕坑。而脈沖頻率為80 Hz時涂層腐蝕區(qū)域明顯減小。當(dāng)脈沖頻率增至200 Hz時，涂層內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕破壞，并且腐蝕程度接近連續(xù)激光熔覆涂層腐蝕程度。

根據(jù)熔池高速攝像形貌與數(shù)值模擬分析可知，20 Hz的單脈沖能量高，持續(xù)時間長，因此會對涂層產(chǎn)生更大的熱作用。根據(jù)微觀組織分析可以證實，這種較大的熱影響導(dǎo)致涂層晶界析出細(xì)小的富Cr顆粒物，導(dǎo)致該區(qū)域晶界貧Cr現(xiàn)象加重。同時，析出的富Cr硬質(zhì)顆粒還會與Ni元素組成原電池，加速初生枝晶中Ni元素的腐蝕[15]。雖然上述過程對耐腐蝕性能有不利影響，但涂層形成了細(xì)化均勻的晶粒組織，晶界與共晶區(qū)域有所增加，從而有利于改善耐腐蝕性能。由于涂層未析出過多的富Cr顆粒物，因此晶粒細(xì)化對耐蝕性能的提高作用要強于熱影響帶來的弱化作用。上述兩過程的綜合作用僅使涂層耐腐蝕性能得到小幅提高(圖23)。

隨著脈沖頻率增大至80 Hz，雖然涂層內(nèi)部的晶粒發(fā)生了一定程度的長大，但涂層中硬質(zhì)相的析出量明顯減少，因此可以有效減弱晶界的貧Cr現(xiàn)象，緩解涂層腐蝕傾向，使涂層具備更好的耐腐蝕性能。當(dāng)脈沖頻率增大至200 Hz時，涂層中形成粗大的樹枝晶，導(dǎo)致晶界平直化程度增加，晶界與共晶區(qū)面積減小，共晶區(qū)析出的硬質(zhì)相增多，因此，涂層的耐蝕性隨著硬質(zhì)相數(shù)量與尺寸的增大而逐漸減弱，脈沖頻率為200 Hz的激光熔覆涂層表現(xiàn)出較差的耐腐蝕性。

3 結(jié)論

(1)脈沖頻率為20 Hz時熔池冷卻速度快，涂層晶粒明顯細(xì)化，并析出細(xì)小顆粒相。脈沖頻率為80 Hz時，脈沖峰值作用時間縮短，同時短脈沖激光對熔池產(chǎn)生攪拌作用，使涂層析出相顯著減少。脈沖頻率為200 Hz時，脈沖波峰與波谷差值極小，熔池長時間處在穩(wěn)定高溫區(qū)間，使得涂層組織粗化并析出大量顆粒相。

(2)隨著脈沖頻率的增大，涂層硬度升高且耐磨性下降，由于脈沖頻率為20 Hz時熔覆層硬度較高且析出細(xì)小硬質(zhì)相，因此磨損率最小，較連續(xù)激光熔覆層磨損率減小30.96%。而脈沖頻率為80 Hz時熔覆層硬度較脈沖頻率為20 Hz時熔覆層硬度降低，且細(xì)小硬質(zhì)相較20 Hz時減少，磨損率較連續(xù)激光熔覆層減小26.63%，但較脈沖頻率為20 Hz時的熔覆層僅減小6.27%。

(3)涂層沖擊韌性隨脈沖頻率增大而先增大后減小，雖然脈沖頻率為20 Hz時熔覆層晶粒更小，但析出細(xì)小硬質(zhì)相，使得涂層應(yīng)力集中點增加，使沖擊韌性較連續(xù)激光熔覆層沖擊韌性僅提高15.99%。由于脈沖頻率為80 Hz時熔覆層中硬質(zhì)相明顯減少且晶粒未顯著增大，因此其沖擊韌性最大，較連續(xù)激光熔覆層沖擊韌性提高29.94%，較脈沖頻率為20 Hz時熔覆層沖擊韌性提高12.03%。

(4)涂層自腐蝕電流密度隨脈沖頻率增大而先降后升。當(dāng)脈沖頻率為80 Hz時，由于涂層晶粒未明顯粗化且硬質(zhì)析出相明顯減少，因此涂層具有最低的自腐蝕電流密度，較連續(xù)激光熔覆層電流密度減小40.08%。

綜上所述，80 Hz的脈沖頻率在涂層耐磨、耐沖擊及耐腐蝕性方面的綜合提高作用更顯著。