不銹鋼基體激光熔覆Ni60A的殘余應力研究

許明三，戴騰運，江吉彬，陳昌榮，曾壽金

(1.福建工程學院 機械與汽車工程學院，福建 福州 350118；2.福建省數(shù)字化裝備重點實驗室，福建 福州 350118)

不銹鋼基體激光熔覆Ni60A的殘余應力研究

許明三1,2，戴騰運1,2，江吉彬1,2，陳昌榮1,2，曾壽金1,2

(1.福建工程學院 機械與汽車工程學院，福建 福州 350118；2.福建省數(shù)字化裝備重點實驗室，福建 福州 350118)

選擇激光功率、掃描速度、送粉量為影響因素，用正交試驗方法研究了不銹鋼基體激光熔覆Ni60A的殘余應力；結(jié)果表明：影響殘余應力的關(guān)鍵因素為掃描速度，其次是激光功率，最后為送粉量；掃描速度180 mm/min、激光功率1.5 kW、送粉量3 g/s產(chǎn)生最小殘余應力；此時熔覆材料Ni60A與基體形成良好的冶金結(jié)合，熔覆層組織均勻，無微裂紋等明顯缺陷。研究結(jié)果為葉輪和螺桿的激光熔覆再制造提供了實驗依據(jù)。

激光熔覆; 殘余應力; 顯微組織; 顯微硬度; 不銹鋼

激光熔覆是一種表面增材技術(shù)，適用于高價值零件修復，在航空、航天、冶金、國防等行業(yè)裝備機械零部件再制造中得到了廣泛應用[1]。

在激光熔覆層殘余應力研究方面，R.Jendrzeiewski 等通過在X10Crl3表面熔覆鎢鉻鈷合金SF6雙熔覆層，通過數(shù)值模擬的方法計算預熱溫度對顯微裂紋和應力的關(guān)系[2]。鐘敘建立了多組元金屬粉末激光選區(qū)燒結(jié)熱力耦合有限元應力場分析模型[3]；王雪光建立了激光直接金屬成形過程的溫度場和殘余應力場模型[4]。K?hlera、Partesa等人將裂紋、疲勞強度、殘余應力做了關(guān)聯(lián)研究，他們指出奧氏體鋼試樣的裂紋在表面，而熱處理鋼試樣的裂紋接近熔覆層與基體交界處；提出應該優(yōu)化殘余應力的分布以此來保存最大疲勞強度[5]。顧建強、駱芳等人在直接耦合了溫度場和應力場的MSC.Marc軟件有限元模型中，得出工件表面和內(nèi)部的殘余應力，結(jié)果表明激光掃描方向的橫向拉應力遠大于縱向拉應力，切應力值大小隨著深度的加深逐漸變??；當掃描速度增大時，材料彈性形變的應力也增大。在整個熔覆過程中，裂紋是影響熔覆層表面質(zhì)量的主要因素[6]。

紙漿泵技術(shù)含量高，因此其再制造的附加值較高，中、高濃紙漿泵主要失效的部位為葉輪或螺桿部分，失效的主要形式為磨損和腐蝕，在對葉輪和螺桿的激光熔覆再制造過程中，合適的壓應力可以提高零件的疲勞強度和耐磨性能，殘余拉應力則相反，但如果存在較大的殘余拉應力或壓應力，都可能發(fā)生嚴重變形和產(chǎn)生裂紋，造成葉輪和螺桿加速失效。本文以激光熔覆層的殘余正應力為主要研究對象，研究熔覆參數(shù)對熔覆層表面在掃描速度方向殘余正應力的影響規(guī)律，得出最佳的實驗參數(shù)，為后續(xù)將激光熔覆技術(shù)應用于葉輪或螺桿等的再制造、修復提供工藝理論基礎(chǔ)和應用指導。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用基材選取葉輪和螺桿的常用材料304不銹鋼，銑削光滑并去除表面氧化層;所用粉末材料為高硬Ni60A粉末。成分如表1。

表1 Ni60A粉末成分Tab.1 Powder composition of Ni60A

1.2 實驗方法

試驗設備采用德國TruDisk2002(FD24)激光熔覆系統(tǒng)。選取送粉量(3、4、5 g/s)、激光功率(1.2、1.5、1.8 kW)、掃描速度(180、240、300 mm/min)3個因素作為研究對象，采用L9(33)正交表，如表2，主要測試熔覆層表面掃描速度方向殘余正應力和切應力的大小，測試值越小越好。

表2 正交試驗參數(shù)表Tab.2 Parameter of orthogonal experiments

試驗前將粉末放入真空干燥箱中干燥；用丙酮將基體油污清洗干凈；調(diào)節(jié)載氣流1 000 L/h；編制熔覆程序，調(diào)節(jié)光斑直徑2 mm；依據(jù)正交試驗參數(shù)表，選擇激光功率、掃描速度和送粉量開展激光熔覆實驗。

每個試樣熔覆后，對試樣進行標記(按試驗序號1～9標記，本文后續(xù)出現(xiàn)的樣件號，即對應表3中相應序號的試件)。冷卻后立即采用iXRD便攜式殘余應力分析系統(tǒng)Proto iXRD進行應力測試。放射管(靶)按不銹鋼類選取Mn靶。根據(jù)X射線衍射試驗得出，布拉格角2θ=152.8°，由鎳基合金(Ni55)定彈性模量E=199.9GPa,泊松比μ=0.3，算出彈性常數(shù)為6.503 252×10-6，晶面(hkl)類型設置BBC，擬合曲線為高斯曲線。采用多次曝光技術(shù)，設置Beta角數(shù)量為9，最大角30°。沿著掃描速度方向測3個點求平均，同時測試正應力和切應力(正值為殘余拉應力，負值為殘余壓應力)。在數(shù)碼顯微鏡下觀察表面形貌，用線切割機床對試件進行切割，將切割下的小試樣去除切割過程留下的污漬并使用金相試樣鑲嵌機鑲嵌。表面經(jīng)打磨拋光后，以鹽酸：硝酸：無水乙醇為1∶1∶1浸蝕液浸蝕35s，使用金相顯微鏡對熔覆層及基體進行金相觀察。采用觸摸屏自動轉(zhuǎn)塔顯微硬度計進行顯微硬度的檢測，在熔覆層打3個點，求平均值，打點間隔為1mm，試驗力為4.9N，保持時間為8s。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對殘余應力的影響

通過表3可看出，熔覆層表面的殘余正應力遠大于殘余切應力，故把熔覆層表面的殘余正應力當做其主要評價指標。

表3 正交試驗殘余應力值Tab.3 Residual stress of orthogonal experiments

2.1.1 直觀分析

正交實驗結(jié)果分析采用極差分析法。實驗數(shù)據(jù)處理見表4。表中的K1、K2、K3分別表示各因素不同水平試驗所得殘余應力的和。T1、T2、T3為各因素不同水平試驗所得殘余應力的平均值。

表4 殘余正應力直觀分析結(jié)果Tab.4 Analysis result of residual positive stress

通過極差R的值可知，對正應力影響最大的因素為掃描速度；激光功率其次；最后為送粉量。

從圖1可看出，隨著送粉量的上升，殘余應力增大。在殘余正應力最小時，激光功率為1.5 kW，掃描速度為180 mm/min,送粉量為3 g/s。

圖1 殘余正應力值直觀分析趨勢圖Fig.1 Tendency of residual positive stress

2.1.2 方差分析

(1)計算離差平方和

各因素引起的離差平方和(A代表激光功率；B代表掃描速度；C代表送粉量)

(r為水平數(shù)，n為試驗總次數(shù))

試驗誤差的離差平方和

(2)自由度

dfA=dfB=dfC=dfe=2

(3)計算平均離差平方和(均方)

(4)計算F值

(5)顯著性檢驗

2.2 熔覆層形貌

圖2為熔覆層表面形貌放大圖(150倍)，按照正交試驗序號從左至右依次排列。

從9次正交實驗樣件的顯微放大圖可明顯看出，樣件2、3、5、8表面有明顯的裂紋；樣件1、9表面的裂紋相對較?。粯蛹?的熔覆層表面無明顯裂紋，但其表面不夠光滑；樣件4、6表面無明顯裂紋，表面光滑，此時樣件所測得的殘余正應力值也較小。

圖2 熔覆層表面形貌(150X)

裂紋形成的原因之一是熔覆層表面的殘余拉應力，對比殘余正應力測試結(jié)果，試驗5、8所測試的殘余正應力為拉應力，且數(shù)值都較大，其中，試驗5所對應的應力數(shù)值達426.66 MPa，為最大，其

裂紋最明顯。激光熔覆是快熱快冷的過程，熔覆過程中產(chǎn)生的從基體到熔覆層間溫度差是殘余應力產(chǎn)生的重要原因，如果基體材料和熔覆層材料熱膨脹系數(shù)相近，由于熔覆層凝固后溫度比基體高，在冷卻至常溫時收縮量比基體大，基體受壓，熔覆層受拉，使工件熔覆層留下過大的殘余拉應力，導致了裂紋的產(chǎn)生。

激光熔覆是激光器釋放能量、粉末與基體結(jié)合面迅速熔化并凝固的成型過程。熔覆的效果與所吸收的能量有直接關(guān)系，光斑直徑不變的條件下，激光功率直接決定了能量大小，掃描速度影響單位能量的大小，因此激光功率越大、掃描速度越小，激光在同一位置吸收的能量也越多。所以，激光功率和掃描速度共同決定了熔覆層吸收能量的大小，決定了粉末是否完全熔化；送粉量越大，粉末在基體上堆積高度則越高，直接導致熔覆層受熱不均勻，也可能產(chǎn)生裂紋。結(jié)合殘余應力值與形貌放大圖，發(fā)現(xiàn)掃描速度越大，熔覆層開裂傾向越嚴重。

2.3 熔覆層微觀組織

將金相樣塊侵蝕35 s，表面清洗冷風吹干，在金相顯微鏡下觀察，放大倍數(shù)為200倍。部分顯微金相圖如圖3。

圖3 顯微金相圖Fig.3 Metallurgical diagram of cladding layer microstructure

由于工藝參數(shù)的不同，個別樣件缺陷比較明顯，如圖3(b)所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)缺陷周圍熔覆組織情況良好，可將能量因素排除，此類缺陷的原因主要在于粉末中的氣孔，應是送粉不均導致的。大部分樣件缺陷不明顯，有的在200倍沒有觀察到，熔覆效果較好。

圖4為激光功率1.5 kW、掃描速度240 mm/min、送粉量5 g/s的熔覆層和結(jié)合面顯微金相組織圖，可以看到板條狀晶格，且密度較大，使得熔覆層有較高的硬度；圖4(b)為基體與熔覆層的交界處放大圖，熔覆層組織顯示出來時，基體材料已經(jīng)浸蝕過度，這也反映了Ni60A具有較好的耐腐蝕性。

圖4 1.5kW,240mm/min,5g/s金相組織圖(200 X)Fig.4 Metallurgical microstructure under the condition of 1.5 kW, 240 mm/min, 5 g/s(at a magnification of 200)

圖5為激光功率1.5 kW、掃描速度180 mm/min、送粉量4 g/s時的稀釋區(qū)顯微組織，在稀釋區(qū)附近組織分布較均勻，熔覆效果較好，在交界處有明顯的白亮層組織，并沿界面長出晶狀組織，說明激光熔覆為冶金結(jié)合，結(jié)合強度高。

圖5 金相組織圖(1.5kW,180mm/min,4g/s)Fig.5 Metallurgical micro-structure under the condition of 1.5 kW, 180 mm/min, 4 g/s

2.4 熔覆層顯微硬度

對熔覆層進行顯微硬度測量，顯微硬度平均值如表5。從9組正交試驗的顯微硬度值可看出，熔覆層的硬度都較大，轉(zhuǎn)化為洛氏硬度達到HRC58-62，個別參數(shù)下測試點硬度達到HRC69，這明顯比不銹鋼母材高。

表5 正交試驗顯微硬度值Tab.5 The micro-hardness of orthogonal experiments

正交實驗結(jié)果分析采用極差分析法。實驗數(shù)據(jù)處理見表6。表中的K1、K2、K3分別表示各因素不同水平試驗所得顯微硬度的和。T1、T2、T3為各因素不同水平試驗所得顯微硬度的平均值。

通過極差分析，得出對顯微硬度影響最大的因素為送粉量；激光功率次之；掃描速度第三。

通過圖6可知，在激光功率1.5 kW、掃描速度300 mm/min、送粉量為4 g/s時硬度最大；在激光功率1.8 kW、掃描速度240 mm/min、送粉量為3 g/s時最小。

3 結(jié)論

1)隨著送粉量的上升，殘余應力增大。

圖6 顯微硬度直觀分析趨勢圖Fig.6 The tendency of micro-hardness

2)對正應力影響最大的因素為掃描速度；激光功率其次；最后為送粉量。

3)熔覆層具有最小殘余應力時，所對應的熔覆參數(shù)為激光功率1.5 kW、掃描速度180 mm/min、送粉量3 g/s；此時熔覆材料與基體形成良好的冶金結(jié)合，熔覆層組織均勻，無微裂紋等明顯缺陷。

[1]Navas C，Conde A，F(xiàn)ernandez B J，et al. Laser coatings to improve wear resistance of mould steel[J].Surface and Coatings Technology, 2005, 194(1):136-142

[2]Jendrzejewski R, Sliwinshi G, Krawzuk M, et al. Temperature and stress fields imduced during laser cladding[J]. Computers and Structures, 2004, 82(7):653-658.

[3]鐘敘. 不銹鋼金屬粉末零部件燒結(jié)過程的熱力耦合有限元分析[D].西安：西南交通大學，2010.

[4]王雪光. 淺談激光熔覆技術(shù)在石化機械維修中的應用[J]. 城市建設理論研究(電子版)，2013(8)：34-40.

[5]K?hlera H，Partesa K，Vollertsena F．Residual stresses in steel specimens induced by laser cladding and their effect on fatigue strength[J]. Physics Procedia,2008,39(6)：354-361.

[6]顧建華，駱芳，姚建華.激光熔覆過程殘余應力的數(shù)值模擬[J].激光與光電子學進展,2010, 47(10):81-86.

(責任編輯： 陳雯)

Research of residual stress in laser cladding of Ni60A on stainless steel

Xu Mingsan1,2, Dai Tengyun1,2, Jiang Jibin1,2, Chen Cangrong1,2, Zeng Shoujin1,2

(1.College of Mechanical and Automotive Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China；2. Fujian Provincial Key Laboratory of Digital Equipment, Fuzhou 350118, China)

The effects of laser power, scanning speed and powder feed rate on the residual stress of laser cladding Ni60A on stainless steel substrate were investigated via orthogonal experiments. The experimental results show that the most significant parameter affecting the residual stress is scanning speed, followed by the laser power and feed rate. When the scanning speed is 180mm/min, the laser power is 1.5kW and the powder feeding rate is 3g/s, the residual stress is the minimum. Under the optimal condition, a favourable metallurgical bonding forms between the substrate and cladding powder with a uniform cladding layer of crystal microstructure without minor defection. The results can provide an empirical basis for laser cladding of impellers and screws.

laser cladding; residual stress; microstructure; micro-hardness; stainless steel

2016-11-14

國家自然科學基金(51575110)；福建省自然科學基金(2015J01628)；福建省教育廳科技項目(JA14211)； 福建省經(jīng)信委2015年省級企業(yè)技術(shù)改造專項；2014年福建省產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新專項

許明三(1974- )，男，福建仙游人，碩士，副教授，主要研究方向：激光熔覆、硬脆材料初削。

10.3969/j.issn.1672-4348.2016.06.009

TG115

A

1672-4348(2016)06-0557-06