基于灰色理論激光熔覆對(duì)形貌影響與優(yōu)化

劉 琛，穆星宇，李金華，劉 斌

基于灰色理論激光熔覆對(duì)形貌影響與優(yōu)化

劉 琛1，穆星宇2，李金華1，劉 斌1

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，遼寧 錦州 121001）

采用激光熔覆技術(shù)在H13鋼上制備鎳基粉末涂層，探究了不同激光功率，掃描速度，送粉電壓等工藝參數(shù)對(duì)熔覆層形貌的影響。通過計(jì)算各個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)及極差，進(jìn)行分析影響熔覆層形貌的主要因素。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，計(jì)算了不同參數(shù)組合下的關(guān)聯(lián)度，并從中找到最佳工藝參數(shù)組合。結(jié)果表明，激光功率對(duì)熔覆層熔寬的影響較為顯著，熔寬與激光功率呈正相關(guān)；送粉電壓對(duì)熔覆層熔高的影響較為顯著，熔高與送粉電壓呈正相關(guān)；激光功率和送粉電壓對(duì)熔覆層的熔深的影響較為顯著，熔深與激光功率呈正相關(guān)，與送粉電壓呈負(fù)相關(guān)。經(jīng)過分析，在激光功率，掃描速度，送粉電壓中，激光功率和送粉電壓是影響形貌的主要因素，在激光功率為1 400 W、掃描速度為2 mm/s、送粉電壓為16 V的參數(shù)下，灰色關(guān)聯(lián)度最高，熔覆層形貌最佳。

激光熔覆；工藝參數(shù)；灰色關(guān)聯(lián)度

激光熔覆[1-2]是一種新型的表面增材技術(shù)，其工作原理是將激光作為一種發(fā)熱源，在激光高溫下使原料粉末快速熔化，使熔覆材料沉積在母板上凝固成型冶金結(jié)合涂層的一種增材制造方法[3]，常用來改善工件表面，提高表面性能，提高耐磨耐腐蝕性，以及用于修復(fù)磨損部件[4]。激光熔覆的出現(xiàn)，得到了很多人的高度重視。它成功解決了傳統(tǒng)加工中存在的一些問題，如涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較差，稀釋率大、變形大、涂層薄等缺陷，相比于傳統(tǒng)加工它對(duì)材料的使用范圍更加廣泛[5-8]。

然而，激光熔覆熔覆層的形貌卻受到各種因素影響，如激光功率，掃描速度，掃描電壓，離焦量等[9-10]。王志堅(jiān)等[11]研究了激光功率以及掃描速度對(duì)熔池的影響，練國(guó)富等[12]研究了激光熔覆工藝參數(shù)及TiC粉末比例對(duì)復(fù)合材料熔覆形貌與成形效率的影響關(guān)系，張超等[13]研究了不同工藝參數(shù)對(duì)熔池與熔覆層高度的影響。Fan等[14]對(duì)不同工藝參數(shù)下的熔覆層形貌、組織和性能等進(jìn)行了研究，并指出加入Mo2C可提高熔覆層硬度。

在實(shí)際生產(chǎn)中，工藝參數(shù)是相互作用的，存在著很多不確定的因素，因此，想要得到最優(yōu)的熔覆層形貌，就需要大量的實(shí)驗(yàn)來支撐來確定合適的參數(shù)，但是這樣會(huì)帶來很大的工作量以及高昂的成本，為此，提出了一種形貌預(yù)測(cè)的方法，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[15]，通過計(jì)算關(guān)聯(lián)度進(jìn)而找出最佳的熔覆層形貌。

1 灰色關(guān)聯(lián)分析法及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種尋求系統(tǒng)中各個(gè)因素之間的數(shù)值關(guān)系的一種方法，在系統(tǒng)中各個(gè)因素變化趨勢(shì)的相關(guān)度稱之為關(guān)聯(lián)度。如果因素變化趨勢(shì)一致，那么其關(guān)聯(lián)度較高；若相反，則關(guān)聯(lián)度較低。激光熔覆的熔覆層形貌是由多個(gè)工藝參數(shù)相互作用，共同影響的，存在著很多不確定因素，因此激光熔覆是一個(gè)不完備的系統(tǒng)，所以可以運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法得出各個(gè)因素之間的關(guān)鍵影響因子，通過計(jì)算各個(gè)參數(shù)下的關(guān)聯(lián)度，來分析熔覆層形貌與理想之間的關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測(cè)最優(yōu)熔覆層形貌。

假設(shè)激光熔覆實(shí)驗(yàn)結(jié)果中有個(gè)評(píng)估目標(biāo)，那么第個(gè)評(píng)估目標(biāo)對(duì)象如式(1)所示。

式中：為實(shí)驗(yàn)的組數(shù)。

設(shè)式(2)所示為理想實(shí)驗(yàn)評(píng)估目標(biāo)，利用式(3)、(4)對(duì)熔覆結(jié)果組合的判斷矩陣進(jìn)行無量綱化處理。

式(3)用來進(jìn)行正向評(píng)估目標(biāo)無量綱化處理，式(4)用來進(jìn)行負(fù)向評(píng)估目標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理。

在理想的熔覆實(shí)驗(yàn)中，熔覆層應(yīng)具有較寬的熔寬，較低的熔高及熔深，因此設(shè)熔覆高度，及熔覆深度為負(fù)向評(píng)估目標(biāo)，熔覆寬度為正向評(píng)估目標(biāo)，理想指標(biāo)為(1 0 0)。

通過式(3)和式(4)將評(píng)估目標(biāo)進(jìn)行無量綱化后，計(jì)算各個(gè)目標(biāo)與理想之間的差值，數(shù)據(jù)差序列處理公式如式(5)所示。

將利用式(5)計(jì)算的差值代入灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)公式(6)中，通過式(7)得到最終關(guān)聯(lián)度結(jié)果。

式中：為分辨系數(shù)，取0.5。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用的粉末為鎳基粉末，基材為H13鋼，主要成分如表1所示。

表1 Ni60合金粉末和基體H13鋼的主要成分

實(shí)驗(yàn)中H13基體尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，在實(shí)驗(yàn)前需將鋼板表面打磨干凈，防止表面存有鐵銹或者異物，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，打磨完后對(duì)其進(jìn)行表面清理，吹干。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為3因素4水平的單道熔覆實(shí)驗(yàn)，各因素水平如表2所示，其中A代表激光功率，B代表掃描速度，C代表送粉電壓。

表3為送粉電壓與送粉量之間的關(guān)系。

表2 各因素實(shí)驗(yàn)水平

表3 送粉電壓與送粉量的關(guān)系

為防止實(shí)驗(yàn)中可能存在的誤差影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過多次測(cè)量計(jì)算，取其平均值，得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)完成后在切割機(jī)上進(jìn)行切割，得到熔覆截面，然后分別用200、400、600、800、1 000、1 200目的砂紙進(jìn)行打磨熔層，直至表面光滑，之后再拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，最后按HF∶HNO3∶H2O=2∶4∶7的比例進(jìn)行配置腐蝕液，配置好后進(jìn)行腐蝕，將腐蝕好的試件放入顯微鏡下，觀測(cè)熔覆層組織和形貌，并測(cè)量其熔寬，熔高，以及熔深。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及優(yōu)化

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過觀測(cè)熔覆層組織形貌，對(duì)各個(gè)不同參數(shù)下的形貌進(jìn)行了測(cè)量，分別得出其熔寬，熔高，及熔深長(zhǎng)度，表4為進(jìn)行3因素4水平下正交實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行形貌預(yù)測(cè)。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過式(6)和式(7)得到正交實(shí)驗(yàn)下的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)與灰色關(guān)聯(lián)度，如表5所示，其中1()表示熔寬關(guān)聯(lián)系數(shù)，2()表示熔高關(guān)聯(lián)系數(shù)，3()表示熔深關(guān)聯(lián)系數(shù)，()表示該參數(shù)組合下的關(guān)聯(lián)度。

表5 灰色關(guān)聯(lián)結(jié)果

110.4570.3810.5170.452 120.5040.4200.4550.460 131.001.000.4280.809 140.6940.5480.6000.614 150.4960.3331.000.610 160.4720.3810.5170.457

2.2 單因素分析

關(guān)聯(lián)系數(shù)表示各個(gè)單因素與理想?yún)?shù)的關(guān)聯(lián)程度，因此可以通過關(guān)聯(lián)系數(shù)來對(duì)單因素進(jìn)行分析。并且為了下文進(jìn)一步驗(yàn)證灰色關(guān)聯(lián)度的可行性提供便利。根據(jù)表5計(jì)算的的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)正交實(shí)驗(yàn)下的水平值以及實(shí)驗(yàn)組數(shù)，分別求得熔寬、熔高和熔深的單一指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)分配表，表6所示，分別計(jì)算出各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)熔寬，熔高，熔深的影響，并綜合其影響程度，整合出理想的工藝參數(shù)的組合。

表6 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)分配表

(1)熔寬 根據(jù)表7極差分析可知，A代表的激光功率和B代表的掃描速度對(duì)熔覆層形貌中熔寬的影響較大，C代表的送粉電壓影響較小，并且激光功率是影響熔寬的主要因素，因此繪制熔寬在不同掃描速度下激光功率趨勢(shì)曲線，如圖1所示。

表7 不同水平熔寬的平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

圖1 激光功率對(duì)熔寬的影響

由圖1可知，當(dāng)掃描速度不變時(shí)，隨著激光功率的增加，熔寬呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，探究其產(chǎn)生的原因可能有以下幾點(diǎn):一是隨著激光功率的增大，輸入到粉末與基材的能量增加，基材融化的部分變大，即熔池面積增大；二是激光功率的增大使其粉末融化的更加充分，使融化的粉末與基材融合的面積增加；都會(huì)導(dǎo)致熔覆層熔寬與激光功率呈正相關(guān)的關(guān)系。

(2)熔高 根據(jù)表8的極差分析可知，送粉電壓和掃描速度對(duì)熔覆層形貌中熔高的影響較大，激光功率的影響較小，并且送粉電壓是影響熔高的主要因素，所以繪制熔高在不同掃描速度下送粉電壓趨勢(shì)曲線，如圖2所示。

表8 不同水平熔高的平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

圖2 送粉電壓對(duì)熔高的影響

由圖2可知，當(dāng)掃描速度或者激光功率不變時(shí)，隨著送粉電壓的增加，熔高均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，分析原因可知，送粉電壓增加，即送粉速率增加，單位時(shí)間內(nèi)粉末數(shù)量增加，所以可用于參與形成熔覆層的粉末數(shù)量增加，即融化的粉末堆積的高度增加，圖2中掃描速度為2 mm/s和3 mm/s，送粉電壓12 V時(shí)，熔高下降可能是激光器在這個(gè)參數(shù)時(shí)刻下，送粉氣流量氣壓減小，導(dǎo)致送粉減少，從而出現(xiàn)誤差，熔高降低。

(3)熔深 根據(jù)表9的極差分析可知，激光功率和送粉電壓對(duì)熔覆層形貌中的熔深的影響較大，掃描速度的影響較小，并且激光功率與送粉電壓影響程度相近，所以分別繪制熔深在不同送粉電壓下激光功率趨勢(shì)曲線和熔深在不同激光功率下送粉電壓趨勢(shì)曲線，如圖3、圖4所示。

表9 不同水平熔深的平均灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

圖3 激光功率對(duì)熔深的影響

由圖3可知，當(dāng)送粉電壓不變時(shí)，隨著激光功率的增加，熔深呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，分析其產(chǎn)生的原因，送粉電壓不變，即送粉速率不變，單位時(shí)間內(nèi)粉末數(shù)量不變，激光功率增加，即單位時(shí)間輸入到粉末和基材上的能量增加，輸入到基材上的單位能量密度增加，即基材熔化的體積增大，熔池深度增大，所以熔深增大。圖3中送粉電壓12 V，激光功率1 300 W時(shí)，熔深突然陡降的原因可能是在該參數(shù)組合下，激光器的能量密度下降，熱源分布不勻，從而在該參數(shù)下部分粉末為完全熔化，從而影響了熔池深度。

圖4 送粉電壓對(duì)熔深的影響

由圖4可知，當(dāng)激光功率不變時(shí)，隨著送粉電壓的增加，熔深呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，分析其產(chǎn)生的原因可知，激光功率不變即單位時(shí)間內(nèi)輸入到粉末和基材的能量不變，送粉電壓增大，單位時(shí)間內(nèi)粉末數(shù)量增加，所以輸入到粉末上的能量增加，基材上的能量減少，熔池體積減小，即熔池深度減小，所以熔深減小。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化

灰色關(guān)聯(lián)度越大，則表明與理想結(jié)果越接近，由表5計(jì)算不同參數(shù)組合下的灰色關(guān)聯(lián)度可知，第13組灰色關(guān)聯(lián)度最大，為0.809，所以由此可得該參數(shù)組合為最佳參數(shù)組合，及激光功率為1 400 W，掃描速度2 mm/s，送粉電壓16 V。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，分別對(duì)單因素及總體進(jìn)行分析，由表7～9可以得出不同因素在不同水平值時(shí)對(duì)各指標(biāo)影響程度不同，通過灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算得到灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。由表7可得到影響熔寬的最佳參數(shù)組合為A4B1C4，其對(duì)應(yīng)正交試驗(yàn)組工藝參數(shù)為1 400 W，2 mm/s，16 V；由表8可得到影響熔高的最佳參數(shù)組合為A4B1C4，其對(duì)應(yīng)正交試驗(yàn)組工藝參數(shù)為1 400 W，2 mm/s，16 V，由表9可得到影響熔深的最佳參數(shù)組合為A4B3C2，其對(duì)應(yīng)正交試驗(yàn)組工藝參為1 400 W，3 mm/s，12 V。根據(jù)以上的單因素分析，可分析出總體影響關(guān)系，如表10所示，可以看出對(duì)總體熔覆層形貌的影響程度：激光功率＞掃描速度＞送粉電壓。

表10 總體熔覆質(zhì)量的影響關(guān)系

根據(jù)表7和表10，得到激光功率對(duì)熔寬的影響關(guān)系:A4＞A3＞A2＞A1，掃描速度對(duì)熔高的影響關(guān)系:B1＞B2＞B3＞B4,送粉電壓對(duì)熔深的影響關(guān)系：C4＞C3＞C2＞C1。綜合選擇后，最佳參數(shù)組合為：激光功率1400 W，掃描速度2 mm/s，送粉電壓16 V。由關(guān)聯(lián)系數(shù)求得整體參數(shù)與灰色關(guān)聯(lián)度最大一組參數(shù)一致，都為第13實(shí)驗(yàn)組，由此進(jìn)一步證實(shí)灰色關(guān)聯(lián)度最大一組為最佳優(yōu)化參數(shù)組。

各組熔覆層形貌及第13組的熔覆層形貌如圖5、圖6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)金相圖

圖6 優(yōu)化參數(shù)金相圖

圖5是本次實(shí)驗(yàn)各組的金相圖，從圖中可觀察到每組的熔覆層形貌，圖6為最優(yōu)參數(shù)下第13組的實(shí)驗(yàn)金相圖。從圖6中可以觀察出優(yōu)化參數(shù)下的熔覆層形貌較規(guī)整，熔寬大，熔高與熔深小，且其稀釋率在7.5%左右，可以較好的提升熔覆后材料的性能。

3 結(jié)論

(1)通過單因素關(guān)聯(lián)系數(shù)的極差分析我們得到了：熔寬主要取決于激光功率，且激光功率與熔寬呈正相關(guān)；熔高主要取決于送粉電壓，且送粉電壓與熔高呈正相關(guān)；熔深主要取決于激光功率和送粉電壓，且激光功率與熔深呈正相關(guān)，送粉電壓與熔深呈負(fù)相關(guān)。

(2)通過灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算與分析，得出在激光功率1 400 W，掃描速度為2 mm/s，送粉電壓16 V為最佳激光熔覆工藝參數(shù)組合。

[1] 游川川, 肖華強(qiáng), 任麗蓉, 等. TC4表面激光熔覆Ti-Al-N復(fù)合涂層的組織與性能[J]. 激光技術(shù), 2021, 45(5): 585-589.

[2] 陳子豪, 孫文磊, 黃勇, 等. 鎳基高溫合金激光熔覆涂層組織及性能研究[J]. 激光技術(shù), 2021, 45(4): 441-447.

[3] LU Y, HUANG G, WANG Y, et al. Crack-free Fe-based amorphous coating synthesizd by laser cladding[J]. Materials Letters, 2018, 210: 46-50.

[4] 郗文超, 宋博學(xué), 梁贏東, 等. 原位生成NbC增強(qiáng)YCF102熔覆層熱力學(xué)與耐磨性研究[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2021, 42(4): 538-543.

[5] 喬亞麗, 宋建麗, 石曉蕾, 等. 激光熔覆成形過程的檢測(cè)與控制研究進(jìn)展[J]. 熱加工工藝, 2020, 49(12): 14-20.

[6] 張津超, 石世宏, 龔燕琪, 等. 激光熔覆技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(10): 1-11.

[7] Afzal M , Khan A N , Mahmud T B , et al. Effect of Laser Melting on Plasma Sprayed WC-12 wt.%Co Coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2015, 266: 22-30.

[8] 王強(qiáng), 李洋洋, 楊洪波, 等. 激光功率對(duì)17-4PH絲材激光熔覆組織及硬度的影響[J]. 表面技術(shù), 2021, 50(3): 191-197.

[9] 高霽, 宋德陽, 馮俊文. 工藝參數(shù)對(duì)鈦合金激光熔覆CBN涂層幾何形貌的影響[J]. 表面技術(shù), 2015, 44(1): 5.

[10] 邢彬, 常保華, 都東. 工藝參數(shù)對(duì)IC10高溫合金激光熔覆層形貌的影響[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2015, 36(7): 88-92, 117.

[11] 王志堅(jiān), 王宗園, 宋鴻武, 等. TC4鈦合金激光熔覆熔池凝固傳熱研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2018(10): 85-88.

[12] 練國(guó)富, 張浩, 陳昌榮, 等. 激光熔覆Ni35A+TiC復(fù)合材料熔覆形貌及成形效率影響研究[J]. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 50(6): 715-725.

[13] 張超, 姜興宇, 劉傲, 等. 工藝參數(shù)對(duì)熔池溫度及成形尺寸的影響[J]. 河南科技, 2021, 40(10): 19-23.

[14] Fan D, Li X, Zhang J. Influence of processing parameters of laser clad Mo2C-Co-based alloy on its microstructure [J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2012, 38(2): 1-5．

[15] 杜彥斌, 周志杰, 許磊, 等. 基于灰色關(guān)聯(lián)分析與自適應(yīng)混沌差分進(jìn)化算法的激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2022, 28(1): 149-160.

Influence and Optimization of Laser Cladding on Morphology Based on Gray Theory

LIU Chen1, MU Xing-yu2, LI Jin-hua1, LIU Bin1

（1. College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2.Engineering Training Center, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The effect of different laser power, scanning speed and powder feeding voltage on the morphology of the clad layer was investigated. The main factors affecting the morphology of the clad layer were analyzed by calculating the correlation coefficients and extreme differences of each parameter. Grey correlation analysis method was used to calculate the correlation degree of different parameter combinations, and the optimal process parameter combinations were found. The results show that the influence of laser power on the melt width of the clad layer is significant, and the melt width is positively correlated with the laser power; the influence of powder feeding voltage on the melt height of the clad layer is significant, and the melt height is positively correlated with the powder feeding voltage; the influence of laser power and powder feeding voltage on the melt depth of the clad layer is significant, and the melt depth is positively correlated with the laser power and negatively correlated with the powder feeding voltage. After analysis, among the laser power, scanning speed and powder feeding voltage, the laser power and powder feeding voltage are the main factors influencing the morphology, with the highest grey correlation and the best morphology of the clad layer under the parameters of 1400W laser power, 2mm/s scanning speed and 16V powder feeding voltage.

laser cladding; process parameters; grey correlation degree

10.15916/j.issn1674-3261.2022.06.004

TH16

A

1674-3261(2022)06-0367-06

2021-10-29

遼寧省科技廳聯(lián)合基金項(xiàng)目(201602371)

劉 琛(1996-)，男，山西太原人，碩士生。

李金華(1978-)，男(滿族)，遼寧葫蘆島人，教授，博士。

責(zé)任編輯：陳 明