送粉/送絲激光增材修復Inconel 718 高溫合金V 形槽

姚喆赫，錢泓宇，余沛坰，陳雅倫，張群莉，劉云峰，姚建華

(1.浙江工業(yè)大學,杭州,310023；2.高端激光制造裝備省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,杭州,310023；3.杭州汽輪動力集團股份有限公司,杭州,310020)

0 序言

工業(yè)燃氣輪機與航空發(fā)動機熱端部件因服役條件惡劣[1-2]，易產(chǎn)生表面與結構損傷[3-5]，如對其直接進行報廢換新會造成嚴重的資源浪費[6].激光熔覆技術作為一種高效、柔性、綠色的直接成形技術[7-8]，相比于電弧堆焊、噴涂等成形修復技術，具有熱影響區(qū)域小[9]、材料應用面廣[10]、熔覆層結合力強[11]等優(yōu)點，在修復失效熱端部件中具有明顯優(yōu)勢.

當前研究中通常采用工藝穩(wěn)定[12-13]的送粉式激光熔覆實現(xiàn)熱端部件的失效修復.Onuike 等人[14]研究了修復區(qū)域輪廓對修復成形質量的影響，結果表明，因粉末與激光在修復表面過渡平滑，修復區(qū)梯形輪廓比距形輪廓更容易實現(xiàn)低缺陷修復.盧朋輝等人[15]研究了激光工藝對K418 高溫合金修復區(qū)開裂行為的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著掃描速度與激光功率的降低，熔池快速凝固產(chǎn)生的熱應力減小，修復區(qū)產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量降低.卞宏友等人[16]使用GH536 粉末修復了GH738 高溫合金試樣，結果表明，Mo，Cr 元素引起的固溶強化作用，使修復區(qū)的拉伸性能、硬度高于GH536 鍛件.

相比于送粉式激光熔覆，送絲式激光熔覆在材料利用率[17]、熔覆層表面形貌[18]、熔覆層成形質量[19]等方面具有優(yōu)勢.李凱斌等人[20]研究了不同激光工藝對送絲激光熔覆層表面形貌的影響，結果表明，當激光能量密度為100 J/mm2、熔絲率為39.44×10-6g/J 時，熔覆過程穩(wěn)定，熔覆層表面光滑飽滿.Abioye 等人[21]研究了激光功率、送絲速度、掃描速度對熔覆層稀釋率的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，熔覆層稀釋率與激光功率、掃描速度呈正相關，與送絲速度呈負相關，通過工藝參數(shù)調(diào)控可獲得稀釋率良好、表面形貌光滑的熔覆層.Demir 等人[22]使用送絲式激光熔覆增材制造了縱橫比高達20 的薄壁構件，結果表明，金屬絲材的利用效率接近100%，熔覆區(qū)域顯微硬度沿增材方向分布均勻.

送粉與送絲方式下高溫合金激光增材修復質量存在不同，為指導修復應用中的工藝選擇，文中開展了送粉式與送絲式激光修復Inconcel 718 高溫合金V 形槽對比試驗研究.結合數(shù)值模擬、高速攝像、修復試樣分析等方法，對比送粉與送絲方式下激光修復過程中V 形槽的溫度場、熔池表面輪廓、修復區(qū)宏觀形貌與微觀組織差異，分析了因送粉與送絲方式差異而引起的激光能量吸收與傳遞的變化，并討論修復區(qū)差異的形成機制.該研究結果為高溫合金激光增材修復應用中的材料輸送方法選擇提供參考.

1 試驗方案與數(shù)值模型建立

1.1 試驗材料與方法

激光增材修復對比試驗平臺如圖1 所示，主要由激光器、高速相機、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、送粉器與送絲器組成.試驗采用送粉與送絲兩種方式對V 形槽進行激光修復，并通過高速相機對修復過程進行拍攝與記錄.

圖1 送粉式與送絲式激光修復試驗平臺Fig.1 Experimental setup for laser repairing with powder feeding and wire feeding

試驗所用的基板、粉末、絲材材料均為Inconel 718 鎳基高溫合金，化學成分如表1 所示.基板尺寸為100 mm×60 mm×6 mm，V 形槽槽深為1 mm，開口角度為60°.粉末粒徑范圍為100～150 μm，絲材直徑為1 mm.試驗所用激光功率為1 kW，光斑直徑為2 mm，激光掃描速度為9 mm/s.經(jīng)前期試驗探明，送粉試驗的粉末利用率約為送絲試驗的20%，因此修復試驗中送粉和送絲量分別為18 g/min 和3.6 g/min.根據(jù)已知絲材直徑，換算得送絲速度為9.3 mm/s.

表1 Inconel 718 鎳基高溫合金的化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of nickel-based superalloy Inconel 718

試驗開始前，對試板表面進行打磨拋光，去除表面氧化膜和油漬.采用DZF-6 051 型真空干燥箱，對金屬粉末進行干燥處理1 h.試驗過程中，通過高速相機拍攝修復區(qū)內(nèi)熔池外形尺寸.試驗結束后，通過線切割進行取樣處理，并分別采用KEYENCE VK-X1000 型共聚焦顯微鏡、ZEISS Axio Imager2型光學顯微鏡和ZEISS EVO 18 型掃描電子顯微鏡對修復區(qū)表面形貌、顯微組織以及晶粒尺寸取向進行表征.

1.2 數(shù)值模型建立

在激光修復V 形槽中，送粉或送絲方式的選用，將影響V 形槽對激光能量的吸收.基于COMSOL 多物理場耦合軟件建立數(shù)值模型，對比分析送粉與送絲條件下V 形槽的溫度場變化.試驗所采用激光功率密度為318 W/mm2，根據(jù)文獻[23]與前期試驗結果，該激光工藝無法在高溫合金Inconel 718 材料表面形成深蝕孔，因此可忽略激光在材料深度方向上的熱輸入.在模擬中，激光熱源采用表面高斯熱源[24-25]，激光熱源輸入能量密度Q為

式中：α為材料對激光的吸收率；P為激光功率；r為至光斑中心的距離；rL為光斑半徑.

激光修復過程中發(fā)生熱傳導、熱對流、熱輻射等物理過程，傳熱控制表達式為

式中：ρ為材料的密度；Cp為材料的恒壓熱容；t為時間；T為溫度；k為材料的導熱系數(shù)；q0為熱對流與熱輻射能量密度.

對流換熱的控制表達式為

式中：h為表面對流換熱系數(shù)；T0為環(huán)境溫度，為293 K.

熱輻射的控制表達式為

式中：ε為表面輻射率；σ為Stenfan-Boltzmann 常數(shù)，為5.67×10-8W/(m2?K4)；T0為環(huán)境溫度，為293 K.

參考文獻[26-28]，設置基板初始溫度為293 K，表面對流換熱系數(shù)為100 W/(m2?K)，表面輻射率為0.3.設置IN718 高溫合金材料的導熱系數(shù)、密度、恒壓熱容等物性參數(shù)隨溫度變化.

數(shù)值模型采用改變表面熱源施加位置的方法，模擬送粉與送絲方式下激光在V 形槽內(nèi)的不同輻照深度.在送粉式激光增材修復過程中，部分激光輻射能量被粉末流吸收，根據(jù)文獻[29]，在粉末粒徑70～250 μm 送粉量18 g/min 的條件下粉末吸收約13%的輻射能量，剩余大部分激光能量穿過粉末流直接作用于工件表面.在模擬中設置粉末吸收后的激光能量直接作用于V 形槽內(nèi)壁.在送絲式激光修復V 形槽過程中，熔池與絲材間形成穩(wěn)定液橋過渡，絕大部分激光能量被熔池與絲材遮擋，模擬設置激光能量作用于熔池表面并通過熔池傳遞至V 形槽內(nèi)壁.為考慮激光在截面上的移入與移出過程，計算激光熱源的加載時長.激光光斑尺寸為2 mm，掃描速度為9 mm/s，激光經(jīng)過截面所需時間為0.22 s，模擬設置激光能量隨時間從0～0.11 s時，增加至激光能量分布最大值；并從0.11～0.22 s時，降低至0.根據(jù)送粉式與送絲式不同的傳熱方式，分別建立如圖2 所示的傳熱邊界條件.

圖2 送粉式與送絲式激光修復模擬中的傳熱邊界條件Fig.2 Boundary condition in simulation of laser repairing.(a) powder feeding method;(b) wire feeding method

2 結果與分析

2.1 V 形槽修復區(qū)溫度場數(shù)值模擬

送粉式與送絲式激光修復V 形槽的溫度場模擬結果如圖3 所示.兩種V 形槽修復方式的溫度場存在顯著差別.在送粉式激光修復過程中，呈高斯分布的激光能量直接輻照至V 形槽表面，修復區(qū)最高溫度(2 444.7 K)出現(xiàn)在V 形槽底部；V 形槽底部溫度梯度集中，最大溫度梯度為2.6×103K/mm.在送絲式激光修復過程中，激光能量通過熔池傳遞至V 形槽內(nèi)壁，修復區(qū)最高溫度(2 127.8 K)出現(xiàn)在V 形槽兩側開口；修復區(qū)溫度梯度分布較送粉式均勻，最大溫度梯度為1.5×103K/mm.根據(jù)IN718高溫合金熔點溫度1 493 K[27]，繪制熔池相變輪廓線.通過幾何測量，對比送粉送絲方式下V 形槽熔深變化.送粉式和送絲式熔深分別為1.58 mm 和1.12 mm.相比于送絲式，送粉式修復區(qū)熔深增大41.07%.

圖3 送粉式與送絲式激光修復V 形槽溫度場模擬結果Fig.3 Simulated temperature field during laser cladding.(a) temperature distribution; (b) temperature gradient distribution

2.2 熔池表面輪廓動態(tài)監(jiān)測

圖4 為熔池表面輪廓變化情況.圖4 中虛線為初始V 形槽兩側輪廓，實線為熔池表面輪廓.在送粉式激光修復過程中，隨著金屬粉末進入V 形槽底部熔池，熔池高度、寬度逐漸增加，熔池表面輪廓傾斜.在t0+0.2 s，t0+0.4 s，t0+0.6 s 時，均能觀察到金屬粉末以固態(tài)及半固態(tài)形式?jīng)_擊進入熔池，熔池表面輪廓不規(guī)則.而在送絲式激光修復過程中，絲材在激光熱源的作用下不斷熔化并填充修復V 形槽，受表面張力影響，熔池輪廓水平.在t0+0.2 s，t0+0.4 s，t0+0.6 s 時，均可發(fā)現(xiàn)熔化絲材通過液橋平穩(wěn)流入熔池，熔池表面輪廓光滑.

圖4 送粉式與送絲式激光修復過程熔池輪廓Fig.4 Monitoring of the molten pool profile.(a) powder feeding method;(b) wire feeding method

2.3 修復區(qū)表面形貌與顯微組織

圖5 為送粉與送絲方式下V 形槽修復區(qū)表面形貌，送粉式V 形槽修復區(qū)表面粘有大量未熔粉末，表面粗糙度較大.基于2.2 節(jié)高速相機監(jiān)測，粉末對熔池沖擊明顯，送粉式修復區(qū)的高度起伏明顯，而送絲式修復區(qū)表面較光潔.送粉式和送絲式修復區(qū)表面輪廓最大高度Rz分別為165.1 μm 和68.3 μm.進一步測量了圖5 中a，b，c 區(qū)域(區(qū)域面積500 μm×500 μm)的修復區(qū)表面平均表面粗糙度Ra.送粉式修復區(qū)和送絲式修復區(qū)Ra值分別13.5 μm 和2.4 μm.相較于送粉式，送絲式修復區(qū)平均粗糙度Ra降低了82.2%.

圖6 為激光修復區(qū)金相顯微組織.送粉式修復區(qū)底部能量集中，修復區(qū)熔合線在修復區(qū)中心明顯下凹，熔深為1.6 mm.送絲式修復區(qū)凝固過程中各方向溫度梯度分布均勻，修復區(qū)熔合線呈半圓形，熔深大小為1.1 mm.根據(jù)計算對比，送粉式修復區(qū)相比于送絲式熔深增大45.5%.

圖6 送粉式與送絲式修復區(qū)顯微組織Fig.6 Microstructure of the laser repaired zone.(a)powder feeding method;(b) wire feeding method

通過分析修復區(qū)顯微組織組成可以發(fā)現(xiàn)，送粉與送絲方式下，修復區(qū)顯微組織均由長條柱狀枝晶與塊狀轉向枝晶組成，其凝固枝晶生長演變過程相似.在凝固開始時，枝晶垂直熔合線向修復區(qū)中心外延生長，隨著凝固過程的推進在修復區(qū)中心發(fā)生轉向.然而，因送粉與送絲方式V 形槽修復區(qū)溫度場不同.在送粉方式下，修復區(qū)枝晶比送絲式更快轉向.

2.4 修復區(qū)晶粒尺寸與取向

圖7 為送粉式與送絲式修復區(qū)晶粒尺寸分布.在送粉與送絲方式下，修復區(qū)晶粒尺寸分布存在差異.送粉式修復區(qū)熔深較大，修復區(qū)底部受V 形槽基板在深度方向上受激冷[30]作用影響顯著，修復區(qū)凝固過程中熔池底部與頂部的溫度梯度G、生長速度R、過冷度變化明顯，晶粒尺寸隨修復深度減小而逐漸增大，晶粒尺寸均勻性較差.送絲式修復區(qū)熔深較小，且修復區(qū)底部避免了激光直接輻照，激光能量通過熔池傳遞至修復區(qū)底部，因此基板產(chǎn)生的激冷作用在修復深度方向上并不明顯.送絲式修復區(qū)凝固過程中溫度梯度G、生長速度R、過冷度較送粉式變化較小，晶粒尺寸沿修復深度無明顯變化，晶粒尺寸均勻性比送粉式好.因修復采用激光熱源，輸入能量密度相同，送粉式與送絲式修復區(qū)平均晶粒尺寸無明顯差別，根據(jù)統(tǒng)計計算，送粉式與送絲式修復區(qū)平均晶粒尺寸分別為56.7 μm 和58.5 μm.

圖7 送粉式與送絲式修復區(qū)晶粒尺寸Fig.7 Grain size of the laser repaired zone.(a) powder feeding method;(b) wire feeding method

圖8 為送粉式與送絲式激光修復V 形槽晶粒取向.受高溫度梯度影響，送粉式與送絲式修復區(qū)均呈現(xiàn)明顯取向性.根據(jù)圖8b 和圖8d 極圖統(tǒng)計，送粉式與送絲式下修復區(qū)最大均勻分布(MUD)值分別為2.6 與3.2.送粉式與送絲式修復區(qū)整體取向無明顯差別.相比于送絲式，送粉式修復區(qū)熔深較大，凝固過程中最大熱流方向沿修復深度發(fā)生了明顯轉變，修復區(qū)中部上下區(qū)域晶粒取向差異明顯，上下各局部區(qū)域內(nèi)取向一致性強.從圖8a 和圖8c 可知，送粉式修復區(qū)底部中心位置轉向枝晶的擇優(yōu)取向為<101>，<111>，并隨熔深減小，逐漸向<001>轉變.與送粉式修復區(qū)不同，送絲式修復區(qū)中心位置轉向枝晶擇優(yōu)取向為<101>，<111>，不發(fā)生<001>方向轉變.

3 討論

在送粉式與送絲式激光修復過程中，粉末/絲材對激光能量的遮擋效果不同，影響了V 形槽與熔池對激光能量吸收與傳遞，使V 形槽修復過程中溫度場和熔池表面輪廓不同，導致修復區(qū)域的宏觀形貌與微觀組織存在差異.

送粉式與送絲式激光修復過程中，V 形槽與熔池對激光能量吸收與傳遞關系如圖9 所示.送粉式激光修復過程中，粉末對激光的遮擋作用較小[31]，激光能量直接輻照至V 形槽表面.首先在V 形槽底部形成熔池，并隨著粉末的填充逐漸增大.在熔池形成后，激光后端能量通過熔池傳遞至V 形槽兩側表面.因前后端激光對V 形槽傳熱方式不同，修復區(qū)熔合線中心明顯向下突出.而送絲式激光修復過程中，絲材直徑占V 形槽總開口寬度的90%，且絲材位于V 形槽中心位置，激光前端能量被絲材遮擋，絲材在激光作用下逐漸熔化與熔池間形成穩(wěn)定液橋過渡[32].因激光能量被絲材、液橋、熔池吸收，并通過熔池傳遞至V 形槽兩側表面.前后端激光對V 形槽傳熱方式相同，V 形槽內(nèi)各方向上溫度梯度大小接近，修復區(qū)熔合線為半圓形.

圖9 送粉式與送絲式激光修復中激光能量的吸收與傳遞Fig.9 Absorption and transfer of laser energy during laser repairing.(a) powder feeding method;(b)wire feeding method

送粉與送絲方式下V 形槽修復區(qū)溫度場不同，導致修復區(qū)域凝固晶粒尺寸與取向存在差異.送粉式激光修復過程中，修復區(qū)底部首先形成熔池，根據(jù)2.1 節(jié)結果，因激光直接輻照，V 形槽底部溫度梯度G較大.受基板激冷作用影響，底部修復區(qū)熔池散熱條件好，過冷度、冷卻速度較大，因此在修復區(qū)底部，大量晶粒形核并在短時間內(nèi)相互擠壓競爭生長，形成細小柱狀晶與轉向晶，凝固形成晶粒尺寸較小[33]，中心轉向晶粒擇優(yōu)取向為<111>，<101>.隨著修復過程進行，修復區(qū)熔池不斷增大，晶粒生長空間增大，并且激光持續(xù)的熱輸入，導致激光后端基板對熔池凝固所引起的激冷作用減小.因此隨修復深度減小，固液界面前溫度梯度G降低，過冷度、冷卻速度減小，晶粒尺寸增大[34].因修復區(qū)熔深較大，熔池凝固過程中最大熱流方向沿修復深度變化向激光掃描方向轉變[35]，凝固形成轉向枝晶擇優(yōu)取向轉變?yōu)?001>.送絲式激光修復過程中，修復區(qū)熔深較小，晶粒在修復深度方向上未產(chǎn)生明顯的競爭生長，修復區(qū)底部避免了激光直接輻照，激光能量通過熔池傳遞至修復區(qū)底部，基板產(chǎn)生的激冷作用在修復深度方向上相比于送粉式修復區(qū)并不明顯.修復區(qū)各處過冷度、冷卻速度較送粉式變化較小，凝固形成晶粒尺寸分布均勻.受大溫度梯度影響，底部柱狀枝晶向熔池中心生長[36]，并在頂部中心區(qū)域沿最大熱流方向轉向[37]，擇優(yōu)取向為<111>，<101>，因送絲式修復區(qū)熔深較淺，轉向枝晶未繼續(xù)向<001>方向轉變.

基于送粉式與送絲式V 形槽修復區(qū)宏觀形貌與微觀組織的對比分析可知，送粉式激光修復區(qū)底部能量集中，熔合線中心明顯向下突出，熔深較大.送粉式激光修復相比于送絲式，更容易獲得底部熔合良好的修復區(qū)，對修復激光設備功率、修復激光工藝要求較低.然而較大的熔深會對修復件帶來更深的熱影響，并且引起修復區(qū)凝固過程中底部與頂部的溫度梯度、過冷度、冷卻速度相差較大，這使修復區(qū)晶粒尺寸分布與晶粒取向差異明顯.送絲式激光修復相比于送粉式，在修復區(qū)熱影響深度、晶粒尺寸均勻性方面具有優(yōu)勢.根據(jù)不同激光設備功率與缺陷外形，可選用送粉或送絲方式進行激光修復.當激光設備功率不足，缺陷外形深寬比較大時，選用送粉式激光修復，可以避免因缺陷底部能量不足而引起的熔合不良[38].當激光設備功率充足，缺陷外形深寬比較小時，選用送絲式激光修復，可以獲得表面形貌良好、熱影響區(qū)域小、晶粒尺寸分布均勻的凝固組織.

4 結論

(1) 相比于送絲式，送粉式修復過程中，因粉末沖擊影響，熔池輪廓不規(guī)則，修復區(qū)表面平均粗糙度增大82.2%.在送粉方式下，激光前端對V 形槽底部直接輻照，V 形槽底部修復區(qū)溫度、溫度梯度大于送絲式，修復區(qū)熔深增大45.5%.

(2) 相比于送絲式，送粉式激光修復過程中，V 形槽基板對熔池的激冷作用在修復深度方向上變化顯著，并且因前后端激光對V 形槽傳熱方式不同，熔池內(nèi)溫度梯度G、過冷度、冷卻速度(G×R)沿修復深度減小而減小，修復成形晶粒尺寸均勻性較差，修復區(qū)上下區(qū)域晶粒取向差異明顯.

(3) 當激光設備功率不足，缺陷外形深寬比較大時，選用送粉式激光修復，可以避免因缺陷底部能量不足而引起的熔合不良；當情況相反時，選用送絲式激光修復，可以獲得表面形貌良好，熱影響區(qū)小，晶粒尺寸分布較均勻的凝固組織.