激光熔覆WC-Ni基金屬陶瓷涂層的幾何形貌特征

徐艷龍 洪 蕾

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306)

激光熔覆技術(shù)是一種新型的材料加工與表面改性技術(shù)，在為零件提供耐磨層和耐腐蝕層，修正和矯正昂貴易磨損部分，處理易變形部件及三維金屬零件直接制造等方面得到廣泛的應(yīng)用。它是以不同的添料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)高能量密度(104～106W/cm2)的激光束輻照后使之和基體表面一薄層同時(shí)融化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層［1］。WC 因?yàn)榫哂懈哂捕?、高熔點(diǎn)的特性，是比較常見的碳化物陶瓷涂層添加相，能提高激光熔覆層的硬度和耐磨性能，由于WC 與Ni 相互潤濕，結(jié)合強(qiáng)度較好，Ni 基WC 涂層硬度較高，因而能在耐磨要求較苛刻的場(chǎng)合得到滿意的效果，成為目前激光熔覆的研究熱點(diǎn)之一［2、3］。

本文利用激光熔覆的方法制備Ni 基WC 復(fù)合涂層，將WC-Ni 基金屬陶瓷粉末熔覆到45 鋼和鑄鐵基體上，觀察并分析了造成激光熔覆層缺陷的原因，同時(shí)將多元線性回歸分析方法應(yīng)用于激光熔覆層高度的預(yù)測(cè)，為實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)步驟及研究方法

本實(shí)驗(yàn)采用SLC-20×30 D 型3 kW 連續(xù)矩形波CO2激光器和送粉系統(tǒng)進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)，圖1 所示為激光熔覆技術(shù)的示意圖。激光工藝參數(shù):激光功率800 W～3 000 W，掃描速率1 mm/s～3 mm/s，光斑尺寸6 mm×1.5 mm，離焦量25 mm。

圖1 激光熔覆示意圖Figure 1 Schematic sketch of laser fuse cladding process

實(shí)驗(yàn)采用單向送粉雙向掃描激光熔覆工藝，熔覆材料選用Ni 和WC 混合粉末，粒度為250目，其粉末成分如表1 所示，其中WC 粉末含量為40%?；w材料選用45 鋼和鑄鐵，實(shí)驗(yàn)前先用砂紙打磨除銹，然后再用丙酮清洗除油。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熔覆層的幾何形貌與缺陷分析

表1 WC-Ni 粉末成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 WC-Ni powder composition(mass fraction，%)

圖2 是在45 鋼基體上激光熔覆WC-Ni 的復(fù)合涂層的幾何形貌圖，由圖可以看出，激光熔覆層表面比較光滑，有少許魚鱗狀的凸起是由于激光熔覆過程中送粉不穩(wěn)定以及氣流的吹拂擾動(dòng)造成的。在熔覆層末端有比較明顯的凸起是因?yàn)樵趩蔚廊鄹步Y(jié)束時(shí)，激光加工頭停止移動(dòng)，而送粉沒有及時(shí)斷開的原因造成粉末堆積。熔覆層表面幾何形貌特征良好。

采用與45 鋼基體相同的激光工藝參數(shù)將WC-Ni 的復(fù)合粉末熔覆到鑄鐵基體上，其表面幾何形貌如圖3 所示。從熔覆層表面可以看到很多凹坑，這是由于鑄鐵組織相對(duì)疏松，當(dāng)高能量密度的激光束掃過基體表面時(shí)，基體表面形成塌陷。組織中的氣體隨之排出，穿過熔覆層形成氣孔。

圖2 不同激光工藝參數(shù)下45 鋼基體上的激光熔覆層Figure 2 Laser fuse claddings on 45 steel matrix at various laser process parameters

圖3 不同激光工藝參數(shù)下鑄鐵基體上的激光熔覆層Figure 3 Laser fuse claddings on iron casting matrix at various laser process parameters

2.2 熔覆層對(duì)比分析

由以上兩圖對(duì)比分析可以看出，熔覆層高度隨激光功率的增大而增大，熔覆層寬度也隨激光功率的增大而增大，但不如高度變化明顯。即使以相同的激光工藝參數(shù)進(jìn)行激光熔覆，在不同的基體材料上得到的熔覆層組織形貌是不同的。由圖2 知，在激光功率變化很大的范圍內(nèi)，45 鋼基體表面的熔覆層幾何形貌特征良好;而從圖3 中可以看出鑄鐵的熔覆層幾何形貌缺陷明顯。出現(xiàn)此類情況的原因是由于45 鋼和鑄鐵的組織構(gòu)造不同，45 鋼表面組織致密、表面平滑，而鑄鐵表面組織相對(duì)疏松、組織內(nèi)部有雜質(zhì)和空洞等缺陷。當(dāng)高能量密度的激光束掃過基體表面時(shí)，表面組織急速融化再凝固，與熔覆材料形成冶金結(jié)合。相對(duì)疏松的組織易造成表面塌陷，組織中的氣體穿過熔覆層，形成氣孔。

3 應(yīng)用多元線性回歸模型分析熔覆層高度

3.1 多元線性回歸模型建立

設(shè)有一個(gè)響應(yīng)變量y 和m 個(gè)解釋變量x1，x2，…，xp的n 組觀測(cè)數(shù)據(jù)，則它們之間的線性回歸模型為:

式中，b0，b1，b2，…bp為常數(shù)，稱為回歸系數(shù);ε 為隨機(jī)干擾或誤差。文中的解釋變量x1，x2，x3，x4分別表示激光功率P，激光束掃描速度V，送粉氣壓p 和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速v。送粉率β 與送粉氣壓p 和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速v 存在一定關(guān)系。如表2 和表3 分別給出了送粉率β 與送粉氣壓p 和送粉率β 與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速v 之間的對(duì)比關(guān)系。

表2 送粉率β 與送粉氣壓p 之間的關(guān)系Table 2 Relationship between powder flow rate β and powder flow air pressure p

表3 送粉率β 與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速v 之間的關(guān)系Table 3 Relationship between powder flow rate β and rotating speed v of rotary table

響應(yīng)變量y 代表激光熔覆層高度H，應(yīng)用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)45 鋼和鑄鐵基體上的熔覆層高度H 分別進(jìn)行多元線性回歸分析。參與統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)如表4 和表5 所示，N 為工件序號(hào)，P 為激光功率，V 為掃描速度，p 為送粉氣壓，v 為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。經(jīng)過回歸分析，可分別得出計(jì)算45 鋼和鑄鐵基體上熔覆層高度H 的表達(dá)式:

式中，H1和H2分別表示45 鋼和鑄鐵基體上的熔覆層高度預(yù)測(cè)值［4、5］。

3.2 模型驗(yàn)證及誤差分析

由式(2)和式(3)可分別計(jì)算出45 鋼和鑄鐵基體上熔覆層的高度H1和H2，相對(duì)誤差θ 可用下式表示:

式中，M 為預(yù)測(cè)值，Mexp為實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值。預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值的比較見表3 和表4，N 為工件序號(hào)，P 為激光功率，V 為掃描速度，p 為送粉氣壓，v 為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，H1和H2分別表示45 鋼和鑄鐵基體上熔覆層高度的預(yù)測(cè)值，h1和h2分別表示45 鋼和鑄鐵的熔高實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值，θ1和θ2分別表示45 鋼和鑄鐵的熔高相對(duì)誤差。

由表4 可以看出，45 鋼基體上熔高最大相對(duì)誤差為7.0%，最小相對(duì)誤差為1.1%，平均相對(duì)誤差為3.95%;由表5 可以看出，鑄鐵基體上熔高的最大相對(duì)誤差為9.4%，最小相對(duì)誤差為0.3%，平均相對(duì)誤差為4.0%。

表4 45 鋼多元線性回歸預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較Table 4 Comparison between predicted value by multielement linear regression and measured value by test of 45 steel

表5 鑄鐵多元線性回歸預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較Table 5 Comparison between predicted value by multielement linear regression and measured value by test of iron casting

4 結(jié)論

通過上述實(shí)驗(yàn)和分析可以得出以下結(jié)論:

(1)激光熔覆過程中，基體的選擇對(duì)于熔覆層的幾何形貌特征影響很大。在組織致密、表面平滑的基體上進(jìn)行激光熔覆可以得到比較好的熔覆層;反之，在組織疏松的基體上進(jìn)行激光熔覆易造成氣孔和裂紋等缺陷。

(2)將多元線性回歸分析應(yīng)用于激光熔覆層高度的預(yù)測(cè)，只要將設(shè)定的激光工藝參數(shù)代入熔覆層高度表達(dá)式即可算出熔覆層的高度，其誤差均在允許的范圍內(nèi)。

［1］洪蕾，吳剛.激光制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.第1 版.北京:人民交通出版社，2007:259－300.

［2］斯松華，袁曉敏，等.激光功率對(duì)激光熔覆WCp/Ni 基金屬陶瓷涂層的組織與磨損性能的影響［J］.中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào).2004，24(3)，183－187.

［3］Si S H，He Y Z，Yuan X M，eta1.Research on microstructures and properties of laser clad Ni-based metal-ceramics layers［J］，Chinese J.Lasers，2002，A29(8):759.

［4］趙洪運(yùn)，楊賢群，等.激光熔覆層形貌預(yù)測(cè)對(duì)比分析［J］.焊接學(xué)報(bào).2009，30(1)，51－54.

［5］董佳奇.CO2激光焊接光致等離子體信號(hào)的實(shí)驗(yàn)研究［D］.湖北:華中科技大學(xué).