Fe901合金粉末激光熔覆層組織分布與缺陷產(chǎn)生機(jī)理分析*

閆曉玲 董世運(yùn) 徐濱士 閆世興 王望龍

(①北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102488;②裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072)

激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)，因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景［1－4］十分廣闊。從當(dāng)前激光熔覆的應(yīng)用情況來看，其主要應(yīng)用于兩個方面:一是對材料的表面改性，如燃汽輪機(jī)葉片，軋輥，齒輪等;二是對產(chǎn)品的表面修復(fù)，如轉(zhuǎn)子，模具等。有關(guān)資料表明，修復(fù)后的部件強(qiáng)度可達(dá)到原強(qiáng)度的90%以上，其修復(fù)費(fèi)用不到重置價格的1/5，更重要的是縮短了維修時間，解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行所必須解決的轉(zhuǎn)動部件快速搶修難題。實(shí)踐表明，影響激光熔覆再制造［5］零件服役性能和服役壽命的關(guān)鍵因素是激光熔覆層的殘余應(yīng)力和缺陷(氣孔、裂紋、夾雜等)。關(guān)于激光快速成形過程中殘余應(yīng)力的研究國內(nèi)外已開始有報道［6］，但對Fe901鐵基自熔合金激光熔層內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的機(jī)理研究較少。故本文從Fe901激光熔覆層組織分布特征入手，探討激光熔覆層內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的機(jī)理，從而為激光熔覆技術(shù)工藝優(yōu)化、激光熔覆層質(zhì)量評價提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用45#鋼為基體材料，試樣尺寸為100mm×10mm×80mm，激光熔覆材料選用Fe901鐵基自熔合金粉末，粉末粒度為－140～325目，成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)前，對粉末進(jìn)行真空干燥處理，去除粉末表面吸附的水分。

實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)波Nd:YAG激光器、同步送粉方法，通過單道搭接多層堆積制備激光熔覆試樣。激光束波長為1.06μm，光斑直徑為2mm，激光熔覆工藝參數(shù)為功率1 kW，掃描速度5～10mm/s，送粉量3.0 g/min，Z軸抬升量0.25mm，搭接率40%，激光熔池保護(hù)氣體采用氬氣。

分別采用800目，1200 目，2000 目砂紙打磨試樣，在拋光機(jī)上拋光之后，采用丙酮清洗，在空氣中烘干，再用王水(HNO3和HCL按1:3比例混合物)腐蝕激光熔覆層組織，采用光學(xué)顯微鏡(OM)分析試樣的顯微組織。

表1 Fe901合金粉末成分

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光熔覆層顯微組織分析

圖1為單道搭接多層堆積激光熔覆層與基體結(jié)合的金相組織，從圖1可以看出:熔覆層與基體之間形成了一層薄薄的平面晶組織。其原因在于在基體上開始堆積時熔覆層材料受到強(qiáng)烈冷卻，與基體之間存在很大的正溫度梯度，同時基體表面是非均勻形核的有利位置，因而在基體表面上產(chǎn)生大量晶核，這些晶核迅速長大至相互接觸便形成平面晶組織。這層平面晶體組織的形成使得基體和熔覆層之間形成了良好的冶金結(jié)合。圖2為單層激光熔覆層內(nèi)的金相組織。從圖2可以看出，層內(nèi)組織為柱狀晶和樹枝晶混合而成，這是由于Fe901合金凝固過程中不同成分的元素(表1所示)凝固點(diǎn)不同，高熔點(diǎn)的溶質(zhì)元素先凝固，這樣液固相界面前沿存在著熔點(diǎn)較低的溶質(zhì)元素的偏聚，導(dǎo)致界面前沿液體熔點(diǎn)的改變。合金液體的熔點(diǎn)隨著溶質(zhì)濃度的改變而改變，這樣界面前沿過冷的產(chǎn)生將不僅取決于界面前沿液體中實(shí)際溫度的分布，還與溶質(zhì)濃度的分布有關(guān)(成分過冷)，隨著距固液界面距離的增加，成分過冷增大，從而形成柱狀晶和樹枝晶組織。圖2中柱狀晶和樹枝晶的生長方向大致與基體結(jié)合面垂直，其原因在于底部平面晶組織形成的同時，釋放出結(jié)晶潛熱使液體的過冷程度減小形核率迅速降低，只有細(xì)晶區(qū)已形成的晶體向液體中長大。由于垂直于基體結(jié)合面的方向散熱最快，而且細(xì)晶區(qū)中各晶粒的結(jié)晶位向不同，所有只有那些與散熱方向平行的晶粒能夠繼續(xù)向液體深處生長，從而形成大致與基體結(jié)合面垂直的柱狀晶和樹枝晶混合區(qū)。圖3為相鄰熔覆層之間的結(jié)合區(qū)域。從圖3可以看出，在單道搭接多層堆積過程中，高能激光束作為移動熱源，加工過程中，熔池周圍的材料被快速加熱，因此前道熔覆層有一部分熔化、一部分退火，即存在二次熔化，二次熱影響現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生組織的粗化。圖4為多層堆積熔覆層的頂部顯微組織。從圖4可以看出，頂部組織與層內(nèi)和底部組織不同，出現(xiàn)了細(xì)小的等軸晶。其原因在于多層堆積過程中，已成形的熔覆層較基體具有較高的溫度，并且結(jié)晶過程中隨著結(jié)晶潛熱的不斷釋放，凝固時的溫度梯度G減小，在熔池頂部，通過與空氣對流、輻射等方式冷卻［7］，結(jié)晶速度R逐漸增大，因此G/R減小，固液界面前沿的液體中的成分過冷增大。當(dāng)成分過冷增大到一定程度的時候，在固液界面前沿的液體中生成許多新的晶核，并沿著各方向長大，這樣阻礙了柱狀晶和樹枝晶的生長并形成細(xì)小的等軸晶體，同時熔覆層的上層組織出現(xiàn)了明顯的不均勻，一些粗大的條狀物分布在上層阻礙了細(xì)小等軸晶的生長，形成許多微觀的組織缺陷。這主要是由于多層堆積過程中，高熔點(diǎn)的成分在冷卻過程中首先凝固，而低熔點(diǎn)的成分隨著固液界面逐漸流向上層，因此熔覆層表層低熔點(diǎn)成分相對較多，成分不均勻性增加。

2.2 激光熔覆層缺陷產(chǎn)生機(jī)理分析

激光熔覆以高能激光束作為移動熱源，通過快速加熱、熔化和冷卻為材料加工提供了常規(guī)手段無法實(shí)現(xiàn)的極端非平衡條件，使成形件具有優(yōu)異的綜合性能;另一方面，由于局部受熱不均勻及膨脹系數(shù)的差異，可能會產(chǎn)生多種缺陷，主要有:氣孔、裂紋、夾雜、顯微縮孔等。

激光熔覆過程中，合金粉末受潮或者基體表面有油、銹或水分等污物存在;熔池保護(hù)效果不好，空氣侵入熔池;溶液中的碳與氧反應(yīng)或金屬氧化物被碳還原成二氧化碳等氣體，在熔覆層快速凝固過程中，這些氣體來不及逸出會形成氣孔。多層堆積過程中，不同成分的元素凝固點(diǎn)不同，高熔點(diǎn)的溶質(zhì)元素先凝固，而低熔點(diǎn)的溶質(zhì)元素隨著固液界面逐漸流向上層，因此熔覆層表層低熔點(diǎn)成分相對較多，成分不均勻性增加，熔覆層組織中會出現(xiàn)一些粗大的條狀物夾雜，形成許多微觀的組織缺陷(圖4所示)。這些缺陷會增加熔覆層開裂的敏感性。

激光熔覆蓋的快熱、快冷過程中，由于局部受熱不均勻，使得熔池及周圍材料溫度較高，這部分材料在冷卻和凝固收縮時，必然會受到周圍較冷區(qū)域的約束從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于材料的抗形變能力時，就會產(chǎn)生裂紋。另外液態(tài)金屬結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬的過程中，伴隨著金屬體積的收縮，體積收縮可分為三個階段:即液態(tài)金屬體積的收縮;由液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬時的體積收縮;固態(tài)金屬體積收縮。當(dāng)熔池內(nèi)材料處于液態(tài)時，冷卻過程中，體積收縮可以由自由流動的液態(tài)流動的液態(tài)金屬來補(bǔ)充，液態(tài)金屬體積的變化不會引起組織的形變及內(nèi)部應(yīng)力的增大;隨著溫度的快速下降，液態(tài)金屬內(nèi)部形成晶核，在正溫度梯度形成過冷條件下，沿著散熱方向生成柱狀晶和樹枝晶，此階段的體積收縮，仍然可由自由流動的液體來補(bǔ)充，但是隨著柱狀晶和樹枝晶的不斷生長，枝晶之間形成相對封閉區(qū)域，這個區(qū)域內(nèi)的液態(tài)金屬凝固收縮時，不會有自由流動的液體補(bǔ)充，必然會引起周邊已結(jié)晶晶粒的牽制和約束，因此晶粒內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)變，從而產(chǎn)生應(yīng)力。這時晶粒受到的應(yīng)力從局部看表現(xiàn)為拉應(yīng)力。若此階段液態(tài)金屬體積收縮比較大，枝晶之間還可能出現(xiàn)顯微縮孔。在應(yīng)力作用下顯微縮孔往往會成為裂紋源。凝固完成后，隨著溫度的下降固態(tài)金屬也會發(fā)生體積收縮，由于激光熔覆合金粉末成分不一，局部受熱不均勻，各部分形變不均勻，形變量不同，內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步加大，當(dāng)應(yīng)力大于材料的抗形變能力時，就會產(chǎn)生裂紋。

Griffith［8－9］等人的研究結(jié)果表明:激光熔覆過程中，平行于激光掃描方向的應(yīng)力以拉應(yīng)力為主。隨著激光能量的不斷輸入，熔覆層內(nèi)殘余應(yīng)力逐漸累積增大，嚴(yán)重時會引起熔覆層開裂，裂紋通常從微觀組織缺陷處(氣孔、夾雜、顯微縮孔)開始萌發(fā)。垂直于激光掃描方向的應(yīng)力開始為拉應(yīng)力，熔覆高度達(dá)到一定數(shù)值時，穩(wěn)定為壓應(yīng)力。Griffith的研究結(jié)果還表明:當(dāng)熔覆層增加到一定高度時，整個熔覆過程處于均衡階段，殘余應(yīng)力基本保持不變。其原因在于熔覆初始階段，基體和熔覆層的溫度梯度較大，主要以局部受熱不均勻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力(拉應(yīng)力)為主，隨著熔覆層數(shù)的增加，前道熔覆層的熱量來不及充分?jǐn)U散，同時結(jié)晶潛熱的放出，使得前道熔覆層和后道熔覆層的溫度梯度減小，后道熔覆層加熱時相當(dāng)于對前道覆蓋層的回火，因此已經(jīng)凝固的覆蓋層拉應(yīng)力逐漸減小，甚至出現(xiàn)壓應(yīng)力。

通過以上分析可知:激光熔覆層缺陷的產(chǎn)生與激光熔覆加工工藝及內(nèi)部組織分布特征有關(guān)。

2.3 激光熔覆層缺陷控制方法

通過優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)，借助外界因素調(diào)整激光熔覆層內(nèi)部組織分布特征可有效控制缺陷產(chǎn)生。

為了減少氣孔的產(chǎn)生，熔覆前應(yīng)當(dāng)徹底清除基材表面的氧化皮和油污;使用干燥的合金粉末;熔覆過程中應(yīng)當(dāng)對熔池采用保護(hù)措施(保護(hù)氣);熔覆層厚度應(yīng)盡可能減薄，以便熔池內(nèi)氣體逸出。

為減少夾雜在表層部分的低熔點(diǎn)成分(Fe901合金中的B、Si與其他元素形成的共晶偏聚集在晶界)，降低熔覆層開裂敏感性，可添加一定量能夠與B、Si元素形成高熔點(diǎn)化合物的其他元素如Ti［10］等。

根據(jù)殘余應(yīng)力的形成機(jī)理可知，殘余應(yīng)力是一種不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，借助于外界因素(熱處理、施加靜載或動載)可以有效調(diào)整和消除殘余應(yīng)力。由于激光熔覆的殘余應(yīng)力主要是由于激光快速熔凝所導(dǎo)致的快熱、快冷引起的，因此調(diào)整和消除殘余應(yīng)力采用熱處理方法更為有效。熔覆之前對基體進(jìn)行預(yù)熱處理，熔覆之后進(jìn)行退火熱處理，可以緩解局部受熱不均勻性，使殘余應(yīng)力松弛，有效減少裂紋的產(chǎn)生。為了防止退火之后組織粗大，影響材料的性能，必須根據(jù)相圖［11］制定合理的熱處理工藝，把握好熱處理的溫度和時間。

3 結(jié)語

(1)在45#鋼金屬表面激光熔覆制備了Fe901合金粉末單道多層堆積熔覆層。成形體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為基體結(jié)合區(qū)、單層熔覆區(qū)、層間結(jié)合區(qū)、頂部區(qū)域四部分。

(2)基體結(jié)合區(qū)的顯微組織以致密的平面晶為主，單層熔覆區(qū)內(nèi)的顯微組織以柱狀晶和樹枝晶體為主，層間結(jié)合區(qū)的顯微組織發(fā)生一定程度的粗化，頂部區(qū)域的顯微組織出現(xiàn)細(xì)小的等軸晶，同時覆層表層低熔點(diǎn)成分相對較多，成分不均勻性增加，熔覆層組織中會出現(xiàn)一些粗大的條狀物夾雜，形成許多微觀的組織缺陷。

(3)激光熔覆層缺陷主要有:氣孔、裂紋、夾雜、顯微縮孔等。通過分析這些缺陷產(chǎn)生的機(jī)理可知:激光熔覆層缺陷的產(chǎn)生與激光熔覆加工工藝及內(nèi)部組織分布特征有關(guān)。

(4)通過優(yōu)化激光熔覆工藝參數(shù)，借助外界因素調(diào)整激光熔覆層內(nèi)部組織分布特征可以有效控制缺陷的產(chǎn)生。給出了控制缺陷產(chǎn)生的具體方法和手段。

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