黃 濤, 張 欣, 陳歲元, 郭 倩, 智彤彤, 周 林

(1. 沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034; 2. 東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 沈陽 110004)

0 引 言

激光增材制造技術(shù)是一種把激光作為熱源來熔化金屬粉末從而實(shí)現(xiàn)金屬零件近凈成型的先進(jìn)技術(shù),同傳統(tǒng)工藝相比較,激光增材制造技術(shù)能夠大大縮短生產(chǎn)周期[1-3]。這為提升高鐵制動(dòng)盤等產(chǎn)品的制造水平,促進(jìn)我國重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展,無疑具有重要的戰(zhàn)略意義。根據(jù)其制備方式不同,主要分為激光選區(qū)熔化技術(shù)和激光直接沉積技術(shù)[4]。激光直接沉積作為增材制造中近凈成型、快速制造的代表技術(shù),在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文的應(yīng)用的快速制造技術(shù)為激光沉積技術(shù)。

激光直接沉積過程是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合的過程,成形過程中由于各種因素會(huì)造成零件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、夾雜等缺陷。而缺陷會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能,在一些重要領(lǐng)域缺陷是不允許存在的。缺陷的形成受激光功率、掃描速度、溫度等諸多條件的影響,一旦參數(shù)選擇不合理,成形件中將會(huì)不可避免的出現(xiàn)缺陷。所以,需要我們對(duì)其內(nèi)在缺陷進(jìn)行深入研究,探索有效的解決方法消除缺陷。

國內(nèi)外已有很多的科研工作者對(duì)激光增材過程中缺陷的形成機(jī)制、產(chǎn)生的影響因素等進(jìn)行了研究。 Cloots等通過模擬的方法對(duì)裂紋的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)構(gòu)件在冷卻過程中, 新興的顆粒沿垂直方向以某種方式生長, 由于冷卻速度很快, 在液化合金不能完全均質(zhì)化, 從而產(chǎn)生了裂紋[5]。劉正武等發(fā)現(xiàn)多激光束選區(qū)激光熔化系統(tǒng)中雙激光束可消除構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力, 會(huì)降低構(gòu)件產(chǎn)生裂紋的可能。 吳偉輝等詳細(xì)分析了激光增材制造技術(shù)成形中球化缺陷的形成機(jī)理。 Dai等對(duì)影響球化的因素進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)球化是由于雜質(zhì)氧元素與高溫熔體反應(yīng)形成氧化膜, 改變了熔池中心與邊緣的表面張力, 從而使內(nèi)部產(chǎn)生對(duì)流[6]。以上研究都是對(duì)激光增材制造過程中缺陷的形成機(jī)理進(jìn)行了分析,對(duì)于缺陷的形成機(jī)制應(yīng)用的是模擬的方法,內(nèi)容比較簡(jiǎn)單。在此基礎(chǔ)上,筆者進(jìn)行了更加深入的研究,對(duì)于不同激光能量密度下的沉積層樣品的缺陷變化及其形成機(jī)理進(jìn)行分析調(diào)控,尋找產(chǎn)生缺陷更少,性能最好的能量密度。

本文基于課題組研究基礎(chǔ)上[7],進(jìn)一步研究了合金鋼激光沉積過程中沉積層樣品產(chǎn)生的缺陷類型及其形成機(jī)理。實(shí)驗(yàn)采用的激光器為光纖激光器,材料為24CrNiMoY金屬粉末。利用宏觀和微觀表征手段,對(duì)制備的合金鋼樣品所產(chǎn)生的裂紋、夾雜缺陷隨著激光能量密度變化規(guī)律也進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本課題使用的材料是利用氣霧化法制備的24CrNiMoY合金鋼粉末。粉末元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

基體采用Q235鋼,其元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示,室溫性能如表3所示。

表1 24CrNiMo合金粉末成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 24CrNiMo alloy powder composition (mass fraction,%)

表2 Q235基板成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Q235 substrate chemical composition (mass fraction,%)

表3 Q235室溫性能Table 3 Q235 room temperature performance

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中使用的是光纖激光器,工藝原理圖如圖1所示。

圖1 DLD 24CrNiMoY工藝原理圖Fig.1 DLD 24CrNiMoY process schematic diagram

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及原理

1.3.1 實(shí)驗(yàn)采用的工藝參數(shù)

激光沉積過程中采用的激光功率為700 W,改變其掃描速度。為研究激光能量密度(EAD)與缺陷行為的相關(guān)規(guī)律,在本實(shí)驗(yàn)條件下,能量密度可由公式(1)計(jì)算得到:

(1)

式中:EAD表示激光能量密度,J/mm2;P表示激光功率取700 W;D表示光斑直徑1.8 mm;V表示掃描速度,mm/s。不同掃描速度下所對(duì)應(yīng)的激光能量密度計(jì)算結(jié)果如表4所示。

1.3.2 金相

用線切割對(duì)沉積層進(jìn)行取樣,樣品經(jīng)過磨樣、拋光、腐蝕處理后采用OLYMPUS SZ61宏觀顯微鏡觀察是否存在劃痕,隨后使激光共聚焦顯微鏡對(duì)不同能量密度下的樣品缺陷進(jìn)行拍照。利用顯微鏡特有的3D-Scanning功能得到缺陷的三維圖像。

表4 不同工藝參數(shù)下對(duì)應(yīng)的激光能量密度

1.3.3 掃描

與金相樣品的處理方法相同。將處理好的樣品用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上,設(shè)置好掃描參數(shù)后對(duì)樣品進(jìn)行缺陷的拍攝。并且針對(duì)缺陷拍出相應(yīng)的能譜,查看缺陷中各成分的占比,比較分析缺陷類型及其形成原因。

1.3.4 硬度

樣與金相樣品處理方法相同,使用數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)垂直于激光掃描方向的樣品截面進(jìn)行顯微硬度測(cè)量,對(duì)樣品進(jìn)行縱向取點(diǎn),每?jī)牲c(diǎn)間隔0.4 mm,一組共取10個(gè)點(diǎn),測(cè)量3組求其平均值,觀察硬度的分布曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 夾雜缺陷在不同激光能量密度下的變化

夾雜的一般形態(tài)及其三維形貌如圖2所示。

(a) 49 J/mm2時(shí)的夾雜; (b) 夾雜的三維形貌圖2 夾雜缺陷激光共聚焦照片F(xiàn)ig.2 Laser confocal photo of inclusion defects

根據(jù)激光直接沉積的特點(diǎn),研究發(fā)現(xiàn)存在于沉積層常見的缺陷主要分為:氣孔、夾雜和裂紋[8]。圖3～圖6為24CrNiMoY合金鋼樣品不同激光能量密度下的缺陷的金相照片,在圖中可以看出,4組參數(shù)下的沉積層樣品中主要存在的缺陷為夾雜和裂紋。由于能量密度的不同,樣品的缺陷數(shù)量占比也隨之變化。圖5(d)所示的沉積層樣品內(nèi),可以明顯觀察到存在夾雜、裂紋缺陷兩種缺陷。這說明缺陷一般是以多種形式共同存在的,并不是只存在單一的一種缺陷。能量密度的改變影響著缺陷產(chǎn)生的類型及數(shù)量占比。

(a) 樣品左上部分; (b) 樣品右上部分; (c) 樣品左下部分; (d) 樣品右下部分圖3 激光能量密度為49 J/mm2時(shí)沉積樣品金相圖Fig.3 Metallographic diagram of deposited samples when laser energy density is 49 J/mm2

(a) 樣品左上部分; (b) 樣品右上部分; (c) 樣品左下部分; (d) 樣品右下部分圖4 激光能量密度為56 J/mm2時(shí)沉積樣品金相圖Fig.4 Metallographic diagram of deposited samples at a laser energy density of 56 J/mm2

為了研究激光能量密度與夾雜缺陷的具體關(guān)聯(lián),利用PS表格法(選取35×52)對(duì)圖3～圖6中夾雜缺陷的含量占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7柱狀圖所示。

(a) 樣品左上部分; (b) 樣品右上部分; (c) 樣品左下部分; (d) 樣品右下部分圖5 激光能量密度為65 J/mm2時(shí)沉積樣品金相圖Fig.5 Metallographic diagram of deposited samples at a laser energy density of 65 J/mm2

(a) 樣品左上部分; (b) 樣品右上部分; (c) 樣品左下部分; (d) 樣品右下部分圖6 激光能量密度為78 J/mm2時(shí)沉積樣品金相圖Fig.6 Metallographic diagram of deposited samples when laser energy density is 78 J/mm2

圖7 不同激光能量密度下夾雜缺陷占比Fig.7 Proportion of inclusion defects at different laser energy densities

結(jié)果表明能量密度較低時(shí),夾雜缺陷含量較多,當(dāng)能量密度增大到78 J/mm2時(shí),沉積層內(nèi)幾乎沒有明顯的夾雜缺陷。夾雜缺陷的含量隨著激光能量密度的提升而減少。產(chǎn)生這一變化過程主要原因是能量密度較低時(shí),粉末吸收的能量太少導(dǎo)致部分金屬粉末未熔化或熔化不充分,形成夾雜缺陷。隨著激光能量密度的提升,導(dǎo)致熔池溫度升高,過熱度增大,使得金屬粉末有充分的時(shí)間被熔化。

夾雜缺陷是最常見的沉積層缺陷之一,它的形狀不規(guī)則,產(chǎn)生原因主要有2個(gè),若激光能量分布為高斯分布,激光能量密度較低時(shí)會(huì)使得金屬粉末熔化不充分,容易在搭接區(qū)產(chǎn)生夾雜缺陷。另一種是由于保護(hù)氣等因素導(dǎo)致在沉積過程中出現(xiàn)了氧化現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致氧化物夾雜的產(chǎn)生[9-11]。

針對(duì)夾雜缺陷的具體形成原因, 首先考慮激光能量密度, 其次可通過對(duì)夾雜缺陷內(nèi)部元素分析來確定其成分。 采用能譜EDS分析夾雜缺陷元素含量來研究夾雜缺陷可能的形成原因。 圖8為夾雜缺陷EDS面掃分析, 各個(gè)元素的質(zhì)量及原子百分比含量由表5得到。

表5 夾雜缺陷能譜分析Table 5 Analysis of energy spectrum of inclusion defects

把表6所示的各個(gè)元素的質(zhì)量及原子百分比含量和表1中24CrNiMo合金粉末成分質(zhì)量占比相比較進(jìn)行分析。通過EDS面掃,發(fā)現(xiàn)4種有明顯變化的元素,夾雜缺陷內(nèi)氧元素均勻分布整個(gè)夾雜面,夾雜缺陷中氧元素明顯高于缺陷邊緣處,碳元素也同理。夾雜缺陷中鐵元素含量減少。說明該夾雜由為氧化物、碳化物組成。

通過上述分析可知,激光直接沉積24CrNiMoY合金鋼粉末過程中產(chǎn)生的夾雜為碳化物、氧化物夾雜。能量密度較低時(shí),沉積層中易形成夾雜,隨著能量密度的增加,夾雜含量隨之減少。因此在激光沉積過程中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣流和恰當(dāng)?shù)募す饽芰棵芏?從而避免夾雜缺陷的產(chǎn)生。

圖8 夾雜掃描圖及EDS分析Fig.8 Inclusion scan and EDS analysis

圖9 裂紋缺陷金相照片F(xiàn)ig.9 Metallography of Crack Defects Study on the influence of alloy steel defects

2.2 裂紋缺陷在不同能量密度下的變化

裂紋缺陷是激光直接沉積過程中破壞性最大的缺陷之一。它的產(chǎn)生主要有3種原因,第一個(gè)是由于凝固溫度區(qū)間初生枝晶的形成造成枝晶間金屬液體補(bǔ)充通道封閉,在隨后的冷卻收縮過程中沒有足夠的液體補(bǔ)充,易于在枝晶間形成凝固裂紋源。在沉積過程極冷極熱的條件下,過高的內(nèi)應(yīng)力將會(huì)使得枝晶間的裂紋源沿著枝晶間擴(kuò)展,從而產(chǎn)生沿結(jié)晶方向分布的裂紋。其次,與材料本身的延展性有關(guān),若激光直接沉積過程中的熱應(yīng)力大于材料的強(qiáng)度極限就會(huì)發(fā)生撕裂,形成裂紋。另外,在沉積層內(nèi),夾雜缺陷由于其熱物參數(shù)與沉積層的差異,將導(dǎo)致熱膨脹量的不一致,夾雜缺陷的周圍易產(chǎn)生裂紋成為裂紋源[12-13]。裂紋的一般形態(tài)如圖9所示。

由圖3～圖6中可以看出隨著激光能量密度的提升,沉積樣品中的裂紋數(shù)量也隨之增多。在能量密度為78 J/mm2時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋寬度明顯增大。

為探究裂紋的產(chǎn)生原因，應(yīng)用沉積層熱應(yīng)力公式[14]進(jìn)行分析:

(2)

式中:E表示熔覆層的彈性模量;Δα表示熔覆層與基體的熱膨脹系數(shù)之差;ΔT表示實(shí)際溫度與室溫之差;v為泊松比。

由于材料成分為24CrNiMoY是確定的,所以所對(duì)應(yīng)的彈性模量,泊松比以及熱膨脹系數(shù)的變化都是比較小的。其余變量恒定,由公式(2)可知,剩余影響熱應(yīng)力的變量就只剩下溫度差。因此熱應(yīng)力是由溫度差來決定,隨著激光能量密度的的提升,會(huì)導(dǎo)致熱輸入變大,從而使溫度差增加,沉積層熱應(yīng)力變大,裂紋數(shù)量增多。

圖10 激光能量密度為65 J/mm2時(shí)夾雜、裂紋金相圖Fig.10 Inclusion and crack metallographic diagram when the laser energy density is 65 J/mm2

除了熱應(yīng)力會(huì)引起沉積層中的裂紋缺陷外,夾雜缺陷也可以引起裂紋的產(chǎn)生[15-16]。夾雜缺陷周圍很容易產(chǎn)生裂紋缺陷(如圖10所示),夾雜缺陷的存在會(huì)在凝固過程中阻礙液相的流動(dòng),最終形成裂紋缺陷。當(dāng)能量密度低于65 J/mm2時(shí),熱應(yīng)力和夾雜缺陷兩者共同作用導(dǎo)致裂紋數(shù)量增加。但隨著激光能量密度進(jìn)一步提高,沉積層樣品中幾乎沒有明顯的夾雜缺陷(如圖6所示),熱應(yīng)力就會(huì)成為導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因。通過上述分析可以知道,裂紋隨著激光能量密度的增大而增多,熱應(yīng)力和夾雜缺陷是導(dǎo)致沉積層出現(xiàn)裂紋缺陷的主要原因。

2.3 顯微硬度

圖11(a)為不同激光能量密度下24CrNiMoY合金鋼沉積層自上而下的硬度分布圖,可以看出在W3時(shí),即激光能量密度為65 J/mm2時(shí)沉積層硬度分布最均勻。如圖11(b)所示為不同激光能量密度下樣品的平均硬度,可得出激光能量密度明顯影響著樣品的顯微硬度。隨著激光能量密度從49 J/mm2升高到65 J/mm2沉積層的硬度由218.7 HV0.2升高至366.5 HV0.2,當(dāng)激光能量密度增大至78 J/mm2,硬度開始降低。如圖3(a)所示,在較低的能量密度下,沉積層內(nèi)存在很多夾雜缺陷,缺陷在一定程度上影響著樣品的顯微硬度,導(dǎo)致樣品顯微硬度較低。隨著激光能量密度的增加,樣品中夾雜缺陷減少,硬度值升高。當(dāng)能量密度增大到78 J/mm2時(shí),樣品顯微硬度開始降低,這是由于樣品中裂紋缺陷開始增多。所以合適的激光能量密度可以明顯調(diào)控合金鋼樣品的缺陷占比,改變樣品顯微硬度,影響力學(xué)性能。

(a) 硬度分布曲線圖; (b) 硬度平均值圖11 不同掃描速度下樣品硬度曲線圖Fig.11 Sample hardness curve at different scanning speeds

3 結(jié) 論

本文采用激光直接沉積技術(shù)制備了不同能量密度下的24CrNiMoY合金鋼樣品,對(duì)其產(chǎn)生的缺陷類型和形成機(jī)理進(jìn)行了研究和分析;得到了缺陷隨能量密度變化的規(guī)律。研究結(jié)論如下:

1) 使用光纖激光器通過送粉的方法在不同的激光能量密度下制備了24CrNiMoY合金鋼樣品。對(duì)樣品缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及其隨激光能量密度變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

2) 夾雜缺陷隨著激光能量密度的增加而減少,夾雜缺陷主要由碳化物、氧化物組成。裂紋缺陷隨著激光能量密度的增大而增多,熱應(yīng)力和夾雜缺陷是導(dǎo)致沉積層出現(xiàn)裂紋缺陷的主要原因。

3) 研究了工藝參數(shù)對(duì)沉積層內(nèi)部缺陷的影響。當(dāng)激光能量密度為65 J/mm2時(shí),硬度分布均勻,硬度值最高,缺陷含量相對(duì)較低,是最優(yōu)的工藝參數(shù)。