許明三，戴騰運(yùn)，江吉彬，陳昌榮，曾壽金

(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建省數(shù)字化裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118)

不銹鋼基體激光熔覆Ni60A的殘余應(yīng)力研究

許明三1,2，戴騰運(yùn)1,2，江吉彬1,2，陳昌榮1,2，曾壽金1,2

(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建省數(shù)字化裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)方法研究了不銹鋼基體激光熔覆Ni60A的殘余應(yīng)力；結(jié)果表明：影響殘余應(yīng)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(yīng)力；此時(shí)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(wú)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。

激光熔覆; 殘余應(yīng)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(jià)值零件修復(fù)，在航空、航天、冶金、國(guó)防等行業(yè)裝備機(jī)械零部件再制造中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

在激光熔覆層殘余應(yīng)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(jì)算預(yù)熱溫度對(duì)顯微裂紋和應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)模型[4]。K?hlera、Partesa等人將裂紋、疲勞強(qiáng)度、殘余應(yīng)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(yīng)該優(yōu)化殘余應(yīng)力的分布以此來(lái)保存最大疲勞強(qiáng)度[5]。顧建強(qiáng)、駱芳等人在直接耦合了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(yīng)力，結(jié)果表明激光掃描方向的橫向拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于縱向拉應(yīng)力，切應(yīng)力值大小隨著深度的加深逐漸變??；當(dāng)掃描速度增大時(shí)，材料彈性形變的應(yīng)力也增大。在整個(gè)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(duì)葉輪和螺桿的激光熔覆再制造過程中，合適的壓應(yīng)力可以提高零件的疲勞強(qiáng)度和耐磨性能，殘余拉應(yīng)力則相反，但如果存在較大的殘余拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，都可能發(fā)生嚴(yán)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(yīng)力為主要研究對(duì)象，研究熔覆參數(shù)對(duì)熔覆層表面在掃描速度方向殘余正應(yīng)力的影響規(guī)律，得出最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，為后續(xù)將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于葉輪或螺桿等的再制造、修復(fù)提供工藝?yán)碚摶A(chǔ)和應(yīng)用指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用德國(guó)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(gè)因素作為研究對(duì)象，采用L9(33)正交表，如表2，主要測(cè)試熔覆層表面掃描速度方向殘余正應(yīng)力和切應(yīng)力的大小，測(cè)試值越小越好。

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

試驗(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)。

每個(gè)試樣熔覆后，對(duì)試樣進(jìn)行標(biāo)記(按試驗(yàn)序號(hào)1～9標(biāo)記，本文后續(xù)出現(xiàn)的樣件號(hào)，即對(duì)應(yīng)表3中相應(yīng)序號(hào)的試件)。冷卻后立即采用iXRD便攜式殘余應(yīng)力分析系統(tǒng)Proto iXRD進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。放射管(靶)按不銹鋼類選取Mn靶。根據(jù)X射線衍射試驗(yàn)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(shè)置BBC，擬合曲線為高斯曲線。采用多次曝光技術(shù)，設(shè)置Beta角數(shù)量為9，最大角30°。沿著掃描速度方向測(cè)3個(gè)點(diǎn)求平均，同時(shí)測(cè)試正應(yīng)力和切應(yīng)力(正值為殘余拉應(yīng)力，負(fù)值為殘余壓應(yīng)力)。在數(shù)碼顯微鏡下觀察表面形貌，用線切割機(jī)床對(duì)試件進(jìn)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(jī)鑲嵌。表面經(jīng)打磨拋光后，以鹽酸：硝酸：無(wú)水乙醇為1∶1∶1浸蝕液浸蝕35s，使用金相顯微鏡對(duì)熔覆層及基體進(jìn)行金相觀察。采用觸摸屏自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度的檢測(cè)，在熔覆層打3個(gè)點(diǎn)，求平均值，打點(diǎn)間隔為1mm，試驗(yàn)力為4.9N，保持時(shí)間為8s。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

通過表3可看出，熔覆層表面的殘余正應(yīng)力遠(yuǎn)大于殘余切應(yīng)力，故把熔覆層表面的殘余正應(yīng)力當(dāng)做其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3 正交試驗(yàn)殘余應(yīng)力值Tab.3 Residual stress of orthogonal experiments

2.1.1 直觀分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析采用極差分析法。實(shí)驗(yàn)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(yàn)所得殘余應(yīng)力的和。T1、T2、T3為各因素不同水平試驗(yàn)所得殘余應(yīng)力的平均值。

表4 殘余正應(yīng)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(duì)正應(yīng)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(yīng)力增大。在殘余正應(yīng)力最小時(shí)，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(yīng)力值直觀分析趨勢(shì)圖Fig.1 Tendency of residual positive stress

2.1.2 方差分析

(1)計(jì)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(yàn)總次數(shù))

試驗(yàn)誤差的離差平方和

(2)自由度

dfA=dfB=dfC=dfe=2

(3)計(jì)算平均離差平方和(均方)

(4)計(jì)算F值

(5)顯著性檢驗(yàn)

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(yàn)序號(hào)從左至右依次排列。

從9次正交實(shí)驗(yàn)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(duì)較?。粯蛹?的熔覆層表面無(wú)明顯裂紋，但其表面不夠光滑；樣件4、6表面無(wú)明顯裂紋，表面光滑，此時(shí)樣件所測(cè)得的殘余正應(yīng)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(yīng)力，對(duì)比殘余正應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，試驗(yàn)5、8所測(cè)試的殘余正應(yīng)力為拉應(yīng)力，且數(shù)值都較大，其中，試驗(yàn)5所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值達(dá)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(yīng)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(shí)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(yīng)力，導(dǎo)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(dǎo)致熔覆層受熱不均勻，也可能產(chǎn)生裂紋。結(jié)合殘余應(yīng)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(yán)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(fēng)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(gè)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(yīng)是送粉不均導(dǎo)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(lái)時(shí)，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(shí)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(zhǎng)出晶狀組織，說(shuō)明激光熔覆為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)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(duì)熔覆層進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，顯微硬度平均值如表5。從9組正交試驗(yàn)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(dá)到HRC58-62，個(gè)別參數(shù)下測(cè)試點(diǎn)硬度達(dá)到HRC69，這明顯比不銹鋼母材高。

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

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析采用極差分析法。實(shí)驗(yàn)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(yàn)所得顯微硬度的和。T1、T2、T3為各因素不同水平試驗(yàn)所得顯微硬度的平均值。

通過極差分析，得出對(duì)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(shí)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(shí)最小。

3 結(jié)論

1)隨著送粉量的上升，殘余應(yīng)力增大。

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

2)對(duì)正應(yīng)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(yīng)力時(shí)，所對(duì)應(yīng)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(shí)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(wú)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(xué)，2010.

[4]王雪光. 淺談激光熔覆技術(shù)在石化機(jī)械維修中的應(yīng)用[J]. 城市建設(shè)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(yīng)力的數(shù)值模擬[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2010, 47(10):81-86.

(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金(51575110)；福建省自然科學(xué)基金(2015J01628)；福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA14211)； 福建省經(jīng)信委2015年省級(jí)企業(yè)技術(shù)改造專項(xiàng)；2014年福建省產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新專項(xiàng)

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