超高速線光斑激光熔覆不銹鋼涂層顯微結(jié)構(gòu)及性能研究

張鑫，劉伊，婁麗艷，劉康誠，李成新，李長久

超高速線光斑激光熔覆不銹鋼涂層顯微結(jié)構(gòu)及性能研究

張鑫，劉伊，婁麗艷，劉康誠，李成新，李長久

（西安交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 金屬材料強(qiáng)度國家重點實驗室，西安 710049）

設(shè)計超高速線光斑激光熔覆送粉噴嘴，在極高的熔覆效率和極低的搭接率下制備不銹鋼熔覆涂層，對比研究圓光斑及線光斑下的熔覆涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)及性能?；谒头蹏娮炝鲌黾胺勰┝Ｗ舆\動軌跡的模擬研究，設(shè)計超高速線光斑激光熔覆專用送粉噴嘴。在此基礎(chǔ)上，以27SiMn為基體，采用1 mm′10 mm線光斑，在10%搭接率、熔覆效率4.5 m2/h下，采用超高速線光斑激光熔覆FeCr合金薄涂層；作為對比，采用超高速圓形光斑（2 mm）激光在0.2 m2/h熔覆效率下熔覆FeCr合金涂層。采用SEM、XRD對比分析線光斑/圓光斑涂層微觀組織結(jié)構(gòu)與涂層顯微硬度。通收束角度為25°～27°的單流道送粉噴嘴可得到分布均勻、飛行速度適中的粉末束流。對比研究超高速線光斑及圓光斑激光熔覆涂層可知，相同掃描速度下2種光斑制備的涂層均較為致密，無裂紋與氣孔，由熔覆層底部到熔覆層表面均呈現(xiàn)出平面晶—柱狀晶—等軸晶的變化趨勢，線光斑和圓光斑涂層硬度在700～800Hv，線光斑下的熔覆層硬度分布更加均勻，表面粗糙度可低至<4 μm，搭接率可低至10%，熔覆效率可達(dá) 4.5 m2/h，遠(yuǎn)高于圓光斑激光下的熔覆效率。2種光斑模式下的涂層微觀組織、相組成及硬度相當(dāng)，但超高速線光斑激光熔覆層表面光潔度更高，表面粗糙度更低，熔覆效率可達(dá)圓光斑的20倍。

線光斑；超高速激光熔覆；搭接率；熔覆效率

激光熔覆作為新一代的表面處理技術(shù)，是通過高能激光束輻射使得熔覆粉末和基體材料表面同時熔化，并快速凝固形成熔覆涂層的。激光熔覆技術(shù)熱輸入集中、基體的熱影響區(qū)小，熔覆層晶粒細(xì)小、組織致密，且該技術(shù)工藝簡單，易于實現(xiàn)自動化，能夠制備耐磨、耐高溫、耐蝕等功能涂層，發(fā)展前景廣闊，是目前代替電鍍技術(shù)的理想工藝之一[1-3]?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)[4]表明激光熔覆的生產(chǎn)成本是電鍍鉻的6倍，高成本已經(jīng)成為制約該技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的重要因素之一。作為降低成本的有效手段，提升熔覆效率成為激光熔覆技術(shù)亟待解決的問題。

2017年，德國佛勞恩霍夫激光研究所與德國亞琛聯(lián)合科技公司提出了超高速激光熔覆技術(shù)[5]，該技術(shù)通過優(yōu)化激光焦點與粉末、基體的位置關(guān)系，大大提高了粉末利用率，實現(xiàn)了熔覆效率的大幅提升。同時，超高速激光熔覆過程中，激光能量主要作用于粉末，有效控制了對基體的熱影響[6]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李俐群等[7]通過對比1.5 m/min和50 m/min的熔覆速度下在27SiMn上熔覆的431不銹鋼熔覆層發(fā)現(xiàn)，超高速激光熔覆較之于常規(guī)激光熔覆，對基體熱輸入更小，組織更加細(xì)小，熔覆層性能更加穩(wěn)定，而且熔覆效率達(dá)到了0.35 m2/h。山能集團(tuán)的澹臺凡亮等[8]以50 m/min、70%搭接率在27SiMn液壓支架立柱表面制備出均勻平整、綜合性能均超過傳統(tǒng)激光熔覆的鐵基熔覆層，其熔覆效率達(dá)到0.45 m2/h。

為制備致密、表面光潔度高的涂層，基于圓光斑的超高速激光熔覆，通常采用70%～90%的高搭接率。而任超等[9]發(fā)現(xiàn)在多層多道熔覆時，在熔覆層搭接區(qū)域往往存在軟化現(xiàn)象，會造成橫向硬度周期性波動。而李俐群等人的研究也表明，超高速激光熔覆由于高搭接率，組織常常呈現(xiàn)“多米諾骨牌”形式的疊層分布，其性能會受到影響。但是，Lian等[10]的研究表明，在多道激光熔覆過程中，適當(dāng)增大搭接率，減小掃描速度可以減少熔覆層氣孔面積。因此，為了保證高效率，獲得高質(zhì)量的涂層，應(yīng)該控制搭接率在一個合理的范圍。

目前激光熔覆常采用的光斑形狀有圓形、環(huán)形、矩形[11-12]，其中，圓形光斑能量多為高斯分布，分布不均勻，而線光斑更易于獲得均勻分布的光斑能量，同時，由于光斑尺寸提升，用線光斑有望大幅度提高加工效率[13-17]。因此，改變激光光斑與其相耦合的送粉系統(tǒng)，發(fā)展超高速線光斑激光熔覆技術(shù)是激光熔覆未來的發(fā)展趨勢，其中，超高速線光斑激光熔覆頭是關(guān)鍵部件，基于數(shù)值模擬粉末與激光的相互作用，可為優(yōu)化熔覆條件提供便捷的方法，然而目前鮮有模擬超高速激光熔覆線光斑同軸送粉噴嘴設(shè)計的報道，而傳統(tǒng)線光斑噴嘴設(shè)計和數(shù)值模擬研究方法可提供一定借鑒。武漢理工大學(xué)郭翔宇等[18]聚焦于粉末，采用Fluent離散型模型，研究了不同收束角度、不同出口間隙對于粉末束流狀態(tài)的影響，設(shè)計了一種適用于大功率的寬帶激光熔覆同軸送粉噴嘴，中國科學(xué)院大學(xué)陳茹等[19]設(shè)計了一種適用于寬帶激光熔覆和增材制造的送粉噴嘴結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用多通道出口有效降低了粉末在熔覆方向上的發(fā)散角。浙江工業(yè)大學(xué)胡曉東等[20]設(shè)計了一種針對于線型光斑的可調(diào)節(jié)尺寸的送粉系統(tǒng)，送粉寬度可在8～30 mm之間進(jìn)行調(diào)節(jié)以適應(yīng)光斑寬度的變化，粉末利用率可達(dá)50%。蘇州大學(xué)雷定中等[21]為了提高粉末利用效率，在光外寬帶激光熔覆的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種光內(nèi)送粉激光熔覆噴頭，熔覆速度多小于20 mm/s。北京工業(yè)大學(xué)楊膠溪等[22]利用寬帶激光束在Crl2基體上制備了WC/鈷基合金層，但熔覆效率只有0.16 m2/h。Gao等[23]在AZ91HP鎂合金基體上制備Al-Si合金涂層，熔覆效率未能進(jìn)一步提升。貴州大學(xué)鄭敏等[24]利用寬帶激光熔覆工藝，在Ti合金表面制備了含有生物活性的β-TCP+HA生物陶瓷復(fù)合涂層，基體與涂層之間形成了良好的冶金結(jié)合。Sun等[25]憑借超寬的激光光斑（14 mm）制備了Fe基涂層，以傳統(tǒng)激光熔覆的低掃描速度（10 mm/s）將熔覆效率提高到了0.45 m2/h。

綜上，超高速線光斑激光熔覆是未來超高速激光熔覆的重要發(fā)展方向之一，超高速線光斑激光熔覆專用送粉噴嘴是該技術(shù)的關(guān)鍵。本研究基于自主開發(fā)的線光斑光學(xué)整形系統(tǒng)及1 mm×10 mm線光斑輸出，開展了粉末流場的模擬研究，設(shè)計了超高速線光斑激光熔覆送粉噴嘴，在此基礎(chǔ)上，以極高的熔覆效率和極低的搭接率，在27SiMn基體上制備了性能良好的超薄FeCr涂層，并對比分析了相同熔覆速度下圓光斑與線光斑熔覆涂層組織結(jié)構(gòu)及性能的差異。

1 試驗

本試驗選基體材料為27SiMn鋼，在直徑為30 mm的精磨實心圓棒表面進(jìn)行熔覆，在熔覆前，用細(xì)砂紙打磨去除表面層，并用酒精清洗以去除油污。熔覆材料采用粒度為25～50 μm的球形FeCr 合金粉末，其成分見表1。試驗前，粉末在90 ℃下烘烤20 min。

表1 熔覆粉末成分

超高速激光熔覆采用最大輸出功率為6 kW的MFM-6000W多模連續(xù)光纖激光器，以及實驗室自行設(shè)計的線光斑同步同軸送粉熔覆頭開展熔覆試驗，激光光斑為1 mm×10 mm的線性光斑。

根據(jù)前期探索工藝，可以通過改變搭接率和熔覆層數(shù)控制涂層厚度，實現(xiàn)30～200 μm不等厚度的涂層制備。同時，選取2 mm直徑圓光斑在80%搭接率下制備熔覆涂層以進(jìn)行對比試驗，由于線光斑擴(kuò)大了光斑面積，故此需要高于圓光斑的激光功率以保證能量輸入，故此選擇3倍于圓光斑的激光功率，保證線/圓光斑的能量密度為600～636 W/mm2，保護(hù)氣和送粉氣均采用高純Ar氣。具體熔覆參數(shù)見表2。

分別將采用超高速線光斑/圓光斑激光熔覆制備的熔覆涂層樣品打磨、拋光，并用丙酮清洗。采用科勒試劑（95%H2O+2.5%濃HNO3+1.5%濃HCl+ 1.0%HF，體積分?jǐn)?shù)）腐蝕10 min，使用S-3400型掃描電子顯微鏡觀察涂層宏觀形貌及其微觀組織，使用其配套的能譜儀（EDS）分析涂層元素分布。采用HV-1000顯微硬度儀測試硬度，測試位置為熔覆層表層至與基的結(jié)合區(qū)域。測試硬度前，對試樣進(jìn)行拋光、超聲清洗。測試載荷力為0.496 N，載荷時間為15 s。

表2 超高速線光斑及圓光斑激光熔覆工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 線光斑流場優(yōu)化與幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化

線光斑送粉噴嘴需要與輸出的矩形光斑相匹配，為使得粉末充分熔化，需要保證整體氣流平穩(wěn)，減小邊界效應(yīng)，并在沉積點使粉末盡量分布均勻。本研究分別設(shè)計了多流道及單流道送粉噴嘴，基于Fluent（v16.1）軟件，研究了送粉噴嘴內(nèi)部流場與基于離散相的粉末分布，明確了線光斑送粉噴嘴幾何結(jié)構(gòu)。采用符合線光斑激光熔覆內(nèi)部氣流的-湍流模型，流動模型采用的是雷諾數(shù)時均的控制方程，二次項在時均化處理后會產(chǎn)生包含脈動值的附加項。

多流道線光斑送粉嘴的流場如圖1a所示。通過計算可知，多路送粉氣接入到多流道線光斑送粉頭時，在流道初始階段氣流不均勻，流道數(shù)量越多氣流匯聚形成均一氣流的距離越長，這限制了多流道線光斑噴嘴的長度。圖1b為氣流在多流道噴嘴出口處截面處的氣體流速云圖。流道間由于氣流相互影響導(dǎo)致同一平面上氣流產(chǎn)生不同速度分布，流道交界處氣體速度較低，宏觀表現(xiàn)為氣流對粒子加速不均一，造成粉末速度不統(tǒng)一。

圖1 多流道線光斑送粉噴嘴氣流速度云圖

圖2為基于離散相模型得出的流道數(shù)為3時，粒子在距噴嘴出口不同高度處的分布。可以發(fā)現(xiàn)，在不同高度時，粒子分布情況出現(xiàn)差異，在流道相搭接處粒子加速性能較差，隨著逐漸增大，粒子分布逐漸趨于均勻。但是，模擬研究結(jié)果表明，采用多流道設(shè)計時，隨流道數(shù)量的增加，可以使得搭接處粒子速度逐漸接近在流道中部粒子的速度，并且粒子速度隨流道數(shù)量的增加而愈加均一。但同時流道數(shù)量增加會導(dǎo)致線光斑噴嘴尺寸增加，導(dǎo)致噴嘴與激光不匹配。因此，多流道送粉噴嘴難以實現(xiàn)技術(shù)要求，故采用小尺寸的單一流道線光斑送粉噴嘴。

圖2 基于離散相計算的多流道噴嘴粒子分布隨距離出口距離的變化

超高速線光斑激光熔覆送粉氣流速度遠(yuǎn)高于粒子實際從送粉噴嘴送出的速度，粒子需要在噴嘴內(nèi)部通過粒子-粒子間和粒子-噴嘴間的碰撞進(jìn)行減速。采用單流道的送粉噴嘴時，噴嘴的尺寸與收束角度會影響粒子間碰撞和粒子與噴嘴碰撞時的減速效果。本文通過EDEM離散元模擬軟件對粒子加速后的碰撞行為及軌跡分布進(jìn)行研究。噴嘴內(nèi)部需要存在減速平臺使得粒子從送粉管中的高速狀態(tài)降低為熔覆適合的速度，雖然會使得粒子速度減低，但是會導(dǎo)致粒子在噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生堵塞，在實際熔覆過程中隨著送粉噴嘴受熱易造成堵粉，影響熔覆工藝過程的穩(wěn)定性。進(jìn)一步調(diào)整噴嘴收束角度為25°～27°，可以獲得粒子分布均勻的送粉噴嘴結(jié)構(gòu)。

基于Hertz-Mindlin無滑基礎(chǔ)碰撞理論和Linear- Spring基本接觸模型進(jìn)一步獲得了粒子在粒子-粒子和粒子-噴嘴碰撞后的速度分布。如圖3所示，粒子在不同的噴嘴結(jié)構(gòu)下速度有不同的降低程度。噴嘴角度與長度影響粒子減速程度。噴嘴角度小，粒子碰撞減速程度小，但小角度對應(yīng)較長的噴嘴使得粒子與噴嘴撞擊次數(shù)增加；相應(yīng)地，噴嘴角度大，粒子碰撞減速程度大，但對應(yīng)較短的噴嘴長度使得碰撞次數(shù)減小。由模擬得出了收束角度在25°～27°之間，粒子速度可降低55%～65%。

2.2 涂層的宏觀形貌特征

圖4為不同光斑形狀涂覆層表面形貌、粗糙度及其搭接示意圖，圓光斑和線光斑的粗糙度分別為17.30 μm和2.06 μm?？梢钥吹?，圓光斑在2 000 W、80%搭接率下出現(xiàn)了大量粘粉現(xiàn)象，這是因為圓形激光受限于激光能量的高斯分布，能量在圓形范圍內(nèi)呈現(xiàn)中間高周圍低的分布情況，故在高搭接率下，低能量區(qū)部分未熔融粉末會沉積在已經(jīng)形成的熔覆層表面。而線光斑整體能量分布更為均勻，未熔融粉末量更少。

圖3 不同收束角度下粒子降速量化分布分析

圖4 不同光斑形狀下超高速激光熔覆涂層的表面形貌及其搭接示意圖

由于單道熔覆層的圓弧狀表面限制，圓光斑在激光熔覆過程中，一般都需要極高的搭接率以保證熔覆層表面的光潔度，而線光斑熔覆層單道的形狀更類似于梯形，所以熔覆層可以在極低的搭接率下進(jìn)行作業(yè)，保證了低粗糙度的同時，大大增加了熔覆效率。圖5為2種光斑熔覆效率對比圖。隨著熔覆速度增大，線光斑熔覆效率變?yōu)閳A光斑的數(shù)十倍。目前已有的超高速圓光斑激光熔覆和傳統(tǒng)低速線光斑激光熔覆的效率相差不大，在0.2～0.5 m2/h之間。熔覆效率計算公式為：

式中：表示熔覆效率；表示光斑寬度；表示熔覆速度；表示搭接率。

圖5 不同光斑超高速激光熔覆效率的對比

Fig.5 Comparison of cladding efficiency for two different type of spot laser cladding against cladding speed

圖6為圓光斑和線光斑激光熔覆層截面SEM照片，可知，不同光斑的熔覆層都呈現(xiàn)組織致密、無氣孔、無裂紋的優(yōu)點。不同熔覆層在厚度上出現(xiàn)了明顯差異。圓光斑單層厚度在180 μm左右，而線光斑單層厚度僅30～40 μm，因此，線光斑超高速激光熔覆涂層為超薄涂層的制備提供了新的方式。與此同時由于圓光斑超高速激光熔覆搭接率高，可以在覆層截面看到明顯密集的搭接痕跡，痕跡密集以至在單層熔覆層截面處出現(xiàn)類似“多層”結(jié)構(gòu)，這一點在文獻(xiàn)[7]也有提到，而線光斑則很少可以觀察到。

2.3 涂層的微觀組織特征與元素分布

圖7為線光斑熔覆層組織，可以看到在搭接位置處由于激光的二次熱輸入，使得下方組織略微粗化，而上部靠近表面處冷卻速度更快，多以細(xì)小、均勻的等軸晶為主，包含少量樹枝晶；由于中部冷卻速度減小，溫度梯度增大，多以沿著溫度梯度方向的柱狀晶為主。目前對圓光斑超高速激光熔覆涂層的研究表明，線光斑下的涂層表面組織結(jié)構(gòu)與圓光斑差異不大，可以得知光斑形狀并未對凝固組織造成影響。

熔覆層元素分布線掃描結(jié)果見圖8和表3，可以看到，在不同光斑下的熔覆涂層中，F(xiàn)e、Cr元素在基體與熔覆層界面處均存在明顯的過渡區(qū)。對于圓光斑超高速激光熔覆，熔覆層與基體中的Fe、Cr元素在8 μm內(nèi)發(fā)生相互擴(kuò)散，而對于線光斑超高速激光熔覆涂層，F(xiàn)e、Cr元素的互擴(kuò)散區(qū)域只有4 μm。

稀釋率的計算一般分為幾何法和成分法，由于超高速激光熔覆基體熔化層非常薄，難以精確測量，故采用成分法來計算。計算公式[26]為：

式中：c為熔覆粉末的密度；s為基體材料的密度；c為熔覆粉末中元素x的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；c+s為熔覆層中元素x的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；s為基體材料中元素x的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。經(jīng)計算，傳統(tǒng)圓光斑超高速激光熔覆的稀釋率僅有4%，而線光斑涂層的稀釋率約為10%，但依舊遠(yuǎn)低于常規(guī)激光熔覆的稀釋率。

圖6 不同形狀光斑單層熔覆層截面SEM照片

Fig.6 SEM images of the cross section of the single-layers cladd layer with different spot shapes of lasers: a) round spot; b) linear spot

圖7 線光斑激光熔覆層搭接處的表面與近基體處的顯微組織

圖8 FeCr合金熔覆層斷面元素分布線掃描結(jié)果

表3 圓光斑及線光斑超高速激光熔覆Fe基合金涂層元素含量

激光熔覆過程中，熱輸入的大小是決定稀釋率大小的關(guān)鍵性因素，而超高速激光熔覆能量大部分作用于粉末，使得粉末在飛行過程中熔化，因此，為保證粉末充分熔化，光斑的能量密度不能過低。線光斑相對于圓光斑，光斑面積更大，因此在熔覆過程中需要更大的激光功率以提高激光的能量密度。本次試驗參數(shù)下，線光斑對于基體的熱輸入會略大一些。但是，在更大的熱輸入作用下，線光斑超高速激光熔覆涂層的過渡區(qū)更小，意味著大幅度提高熔覆速度下，超高速線光斑激光熔覆對基體的熱輸入得到了有效控制。

圖9為熔覆層面掃描結(jié)果?，F(xiàn)有研究[26]表明，基于圓光斑的傳統(tǒng)激光熔覆和超高速激光熔覆相比，由于激光焦點與基體、粉末的耦合位置不同，傳統(tǒng)熔覆層中會出現(xiàn)基體因受熱影響較大，元素擴(kuò)散進(jìn)入涂層中。對于27SiMn鋼材上的鐵基不銹鋼基體，涂層中鐵元素含量升高，而超高速激光熔覆因為其激光焦點在基體上方，大部分能量用于熔化粉末，對于基體的熱輸入更少，所以基體中滲入涂層的元素較少。超高速線光斑激光熔覆的熔覆頭設(shè)計依舊焦距于基體上方，因此在線光斑熔覆層上也發(fā)現(xiàn)了隨著掃描速度的增大，基體元素向熔覆層滲入量越來越少。亦表明，在較大的熱輸入作用下，超高速線光斑激光熔覆在高速熔覆下，對基體熔化導(dǎo)致的元素擴(kuò)散現(xiàn)象得到了有效控制，線光斑激光熔覆在高掃描速度下，可以制備出低稀釋率、對基體熱影響小的涂層。

2.4 涂層的XRD分析

圖10為超高速圓光斑和線光斑激光熔覆涂層的XRD衍射結(jié)果，可知，2種光斑制備的熔覆層都以體心立方α-Fe為主，未見其他新相生成。因此，即使光斑形狀的改變可能會造成因激光功率的提高而導(dǎo)致熱輸入的提高，但并不會對物相的生成造成影響。

圖9 不同光斑激光熔覆層斷面元素分布面掃描結(jié)果

圖10 線光斑與圓光斑激光FeCr合金熔覆層的XRD圖譜

2.5 涂層的硬度分析

相比于常規(guī)激光熔覆，超高速圓光斑激光熔覆搭接率一般為80%～90%，即便是單層熔覆，也會出現(xiàn)類似“多層”熔覆的效果[7]。如圖11所示，超高速不同形狀光斑對于基體硬度的影響幾乎沒有差異，無論線光斑還是圓光斑，超高速激光熔覆所制備出的涂層硬度都高于基體的硬度。但是，高搭接率下制備的圓光斑激光熔覆涂層在搭接區(qū)域由于多次加熱，組織及性能均勻性均受到影響，涂層在一定尺度會出現(xiàn)間隔分布的組織粗化，對硬度造成了一定的影響，所以圓光斑涂層硬度整體波動相對較大，而線光斑硬度分布曲線則更加平滑。

圖11 FeCr合金熔覆層硬度分布圖

3 結(jié)論

1）傳統(tǒng)多流道線光斑熔覆送粉噴嘴不適合超高速線光班激光熔覆需求，收束角度為25°～27°的單一流道送粉噴嘴可獲得分布均勻、速度適宜的粉末，有利于熔覆質(zhì)量的提升。

2）超高速線光斑激光熔覆層組織致密，無氣孔與裂紋等缺陷，熔覆層厚度可降至30～40 μm，表面粗糙度為2.06 μm，為表面光滑的超薄涂層制備提供了新方法。在相同掃描速度下，本研究基于1 mm× 10 mm線光斑的超高速激光熔覆效率達(dá)到了4.5 m2/h，為圓光斑的數(shù)十倍。

3）超高速圓光斑及線光斑涂層底部到表層依次呈現(xiàn)平面晶—柱狀晶—等軸晶的組織分布趨勢，無明顯差異，影響熔覆層的物相組成不受光斑結(jié)構(gòu)的影響，但是線光斑熔覆涂層元素過渡區(qū)更小，對基體的熱影響更小。

4）超高速圓光斑及線光斑涂層硬度平均值無明顯差異，在750～850Hv之間，均遠(yuǎn)高于基體。但是線光斑由于組織過渡更加平滑，硬度分布更加均勻。

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Microstructure and Properties of Stainless Steel Coatings by High Power Ultra-high Speed Linear Spot Laser Cladding

,,,,,

(State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, School of Materials Science and Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi' an 710049, China)

Ultra high speed linear spot laser cladding is of great potential to effectively deposit thin metal coatings at an ultra-high speed to be applied to different industrial fields. However, the quality of the cladding layer depends on the design of the linear spot laser cladding powder feeder head design and the optimization of processing parameters. The objective of this study is to design a powder feeding nozzle for ultra-high speed linear spot laser cladding, examine the cladding efficiency and overlapping rate of the ultra-high speed linear spot laser cladding, and the microstructure and properties of the cladded FeCr-based alloy coating in comparison with those by circular spot laser cladding. The simulation method based on the simulation of flow field and particle trajectory within the powder feeding nozzle is used for optimizing the design of a special powder feeding nozzle for ultra-high speed linear spot laser cladding. FeCr alloy thin coating was prepared by the ultra-high speed linear spot laser cladding using 1 mm×10 mm line spot on 27SiMn substrate at 10% overlapping rate and cladding efficiency of 4.5 m2/h. FeCr alloy coating was also prepared by the ultra-high speed circular spot laser cladding using 2 mm circular spot under the cladding efficiency of 0.2 m2/h for comparison. The microstructure of FeCr alloy coatings prepared by both linear spot and round spot laser cladding was analyzed by SEM and XRD. The microhardness of the coatings was also compared. Results show that uniform powder particle distribution and moderate particle flight velocity were obtained through the single channel powder feeding nozzle with a beam angle of 25°-27°. The comparative study shows that ultra-high speed linear spot and circular spot laser cladding coatings present dense microstructure without cracks and pores. The plane crystals followed by columnar crystals and equiaxed crystals are observed from the bottom of cladding layer towards the surface of cladding layer. The hardness of the coatings cladded by linear spot and circular spot laser claddings is 700-800Hv. However, the hardness distribution in the linear spot laser cladded coating is more uniform. Moreover, the surface roughness of FeCr alloy coating by ultra-high speed line spot laser cladding can be as low as< 4 μm. The overlapping rate can be as low as 10%, and the cladding efficiency of the linear spot laser cladding is much higher than that of circular spot laser cladding. In this study, it can reach 4.5 m2/h. As the conclusion the ultra-high speed linear spot laser cladding can prepare a dense thin coating with high surface finish. The microstructure, phase composition and hardness of the coating are similar to those by the circular spot laser cladding. However, the primary surface roughness of the ultra-high speed laser cladded coating is lower than that of spot laser cladding, and the cladding efficiency can reach 20 times that of the circular spot laser cladding.

linear spot;ultra high speed laser cladding; overlapping ratio; cladding efficiency

v261.8

A

1001-3660(2023)01-0336-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.034

2021–12–10；

2022–03–29

2021-12-10；

2022-03-29

山東省重大科技創(chuàng)新項目（2019JZZY010802）

Shandong Province Major Scientific and Technological Innovation Project (2019JZZY010802)

張鑫（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為激光增材制造。

ZHANG Xin (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: laser addictive manufacturing.

李成新（1974—），男，博士，教授，主要研究方向為固體氧化物燃料電池、防護(hù)與功能涂層。

LI Cheng-xin (1974-), Male, Docter, Professor, Research focus: solid oxide fuel cells, protective and functional coatings.

張鑫, 劉伊, 婁麗艷, 等. 超高速線光斑激光熔覆不銹鋼涂層顯微結(jié)構(gòu)及性能研究[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(1): 336-345.

ZHANG Xin, LIU Yi, LOU Li-yan, et al. Microstructure and Properties of Stainless Steel Coatings by High Power Ultra-high Speed Linear Spot Laser Cladding[J]. Surface Technology, 2023, 52(1): 336-345.

責(zé)任編輯：萬長清