李艷鵬 ，溫海駿 ?

1) 中北大學機械工程學院，太原 030051 2) 江蘇斯普瑞科技有限公司，宜興 214200

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對于一些價格昂貴、加工工藝復雜、加工周期長的不銹鋼工件來說，修復再制造它們的受損疲勞破壞件無疑是一項重大的綠色工程，也是當代工業(yè)實現綠色生產的迫切需求。激光熔覆過程是一個變化較大的化學物理過程，熔覆結果主要受兩方面的制約，首先是熔覆材料與基體界面間原子的相互擴散比較充分,形成穩(wěn)定結合，其次是激光熔覆過程的工藝參數對熔覆質量至關重要。近年來，國內外學者對不銹鋼激光熔覆進行了大量實驗探索。王圍等[1]以不銹鋼液壓油缸桿件為研究對象，采用熔覆技術對其再制造修復過程中的問題進行分析，說明了選用不銹鋼粉末修復各種類型的液壓油缸桿件在經濟上和技術上的可行性。楊寧等[2-7]基于激光熔覆不銹鋼工藝參數與熔覆層質量的關系總結了掃描速度對于稀釋率和熔覆層成型厚度的影響。作為一種表面修復工藝，激光熔覆的參數設定會對熔覆結果有重要影響，熔覆粉末的選用也決定著熔覆層結果的優(yōu)劣。閆世興和董世運[8]以不銹鋼為基體，對激光熔覆Fe314合金粉末進行研究，結果表明其力學性能及熔覆層質量良好。張驍麗等[9]采用鋁合金粉末選擇性對零件部位進行激光熔化并優(yōu)化熔覆過程工藝參數。蒲亞博[10]以3Cr14不銹鋼為基體，對0.3C-18Cr合金粉末進行研究，并通過優(yōu)化工藝參數顯著提高了熔覆層的硬度。馮嘉寧[11]在304奧氏體不銹鋼表面制備Ni60合金涂層，大大提高了材料的耐磨性。朱國斌[12]在304不銹鋼表面激光熔覆Ni基合金粉末，獲得耐蝕性較好的涂層。楊丹等[13]研究了不同工藝參數對304不銹鋼表面激光熔覆Ni基合金后熔覆層微觀組織及硬度、耐磨、耐蝕性能的影響，并尋求最佳激光工藝參數，以期獲得冶金結合較好，耐磨、耐蝕性能良好的熔覆層。郭澤東[14]采用礦用液壓支柱的不銹鋼材料作為基體，通過激光熔覆相應不銹鋼粉末顯著提高了它的硬度、耐磨性和耐腐性。Pinkerton和Li[15]對激光在不銹鋼熔覆方面的應用作了研究，發(fā)現了主要輸入工藝參數與成型試樣的尺寸、特性以及表面粗糙度之間的聯系。

鎳基合金具有耐蝕、耐磨、抗高溫蠕變和抗熱氧化性的特點，是激光熔覆合金體系的主要材料之一[16]。為推動激光熔覆鎳基合金粉末在特定不銹鋼工件強化和修復上的應用，本文利用功率可調制碟片激光器在不同激光功率、掃描速度、送粉速度和光斑大小下對In625鎳基合金粉末的激光熔覆進行研究，探索出了In625不銹鋼鎳基合金粉末在ZG06Cr19Ni4Mo不銹鋼基板上的最優(yōu)激光熔覆工藝參數，并總結了激光熔覆工藝參數對熔覆層高度、表面形態(tài)的影響規(guī)律。

1 實驗材料及方法

1.1 材料及設備

選用三維激光加工系統(tǒng)來進行激光熔覆實驗，激光熔覆系統(tǒng)及加工原理如圖1所示。整個系統(tǒng)包括碟片式激光器（德國TRUMPF TruDisk碟片式激光器，激光光束波長為1020 nm，光束質量≥2 mm·mrad，功率≤2000 W）、六自由度的酷卡六軸工業(yè)機器人運動系統(tǒng)、激光熔覆系統(tǒng)（包括激光焊接頭、氣流式雙筒同步式GTV送粉器）、稀有氣體保護系統(tǒng)（保護氣體為氮氣、送粉氣體為氦氣）、工裝夾具系統(tǒng)、機器人控制柜和冷水機等。

圖 1 同軸式送粉激光熔覆系統(tǒng)Fig.1 Laser cladding system of the coaxial powder feeding

選用ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼板作為基材，基體尺寸為200 mm×200 mm×12 mm，熔覆材料選擇In625鎳基合金粉末，粒度為50～150目，在此粒度范圍內，激光熔覆效果受粒度影響不明顯。表1所示為熔覆粉末與不銹鋼基體的化學成分。

1.2 實驗準備及參數設置

在進行激光熔覆前，要對選擇的熔覆粉末進行加熱除濕，將足量In625合金粉在干燥箱中以90 ℃恒溫干燥處理2 h。利用打磨機對不銹鋼板實驗面進行磨光處理，使用工業(yè)乙醇浸濕的無塵紙擦拭、清洗、去除不銹鋼板表面的雜質與油污。

根據企業(yè)實際生產經驗，通過控制激光焊接頭到基板的距離來調節(jié)光斑大小為4 mm，搭接率為50%（步進2 mm），按實際工程需要，將熔覆厚度控制在1.0～1.2 mm范圍內，故送粉速度控制在2～3 r·min?1（60～90 g·min?1），同時分別選用氦氣、氮氣作為送粉氣與保護氣，其流量設定分別為4.7和12.0 L·min?1。在遵循保證實驗效果且減少實驗次數的原則下，本次實驗主要控制激光功率和掃描速度這兩個變量，分別用A和B來進行表示。激光功率（A）控制在1500～2000 W之間，掃描速度（B）的變化范圍為3.3～6.7 mm·s?1，采用響應曲面法擬定雙因素3水平的實驗方案。

表 1 In625合金粉與ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the In625 alloy powders and ZG06Cr13Ni4Mo steels %

響應面分析法也稱作響應曲面設計方法，是一種多元線性回歸分析方法。通過確定實驗指標及因素水平編碼，結合相應正交表對實驗進行編號，然后依據編號進行實驗并獲得相應數據，并應用回歸方程對因子與目標值之間的數學關系進行擬合，基于回歸方程確定最佳參數。激光熔覆工藝參數與編碼水平見表2，實驗方案如表3所示。

表 2 激光熔覆工藝參數與編碼水平Table 2 Laser cladding process parameters and coding level

表 3 實驗方案Table 3 Designed experiment

2 結果與分析

2.1 方差分析

按照上述設計的實驗方案以及設置的工藝參數進行激光熔覆實驗，其中4組重復實驗結果用于獲取激光功率與掃描速度對熔覆層高度交互影響的響應面，剩余9組實驗的多道搭接熔覆區(qū)宏觀形貌如圖2所示。由圖可知，按照從左到右（掃描速度為單一變量）、從上到下（激光功率為單一變量）的順序依次給熔覆區(qū)域進行排序，分別為區(qū)域1～9，各個區(qū)域均為邊長為40 mm的方形，9個區(qū)域基本都能夠完整成形，涂層表面未出現明顯的裂紋、塌陷等缺陷。熔覆層高度測量結果如表4所示。

圖 2 不同工藝參數下的熔覆層外觀形貌Fig.2 Appearance morphology of the cladding layer operated by the different process parameters

為了得到熔覆層高度（H）的回歸模型，利用Desigh-Expert軟件中的Response Surface模塊對數據進行函數擬合，并采用方差分析方法對模型進行評估。表5是由響應面分析軟件直接導出的具體方差分析結果，其中均方值（Mean square）表征影響因子對于響應的影響程度，數值越大越顯著；P值是方差分析里面對模型和模型系數進行顯著性檢驗得到的結果，表示分析對象的顯著性，若顯著，則說明該模型是有效的；失擬項（lack of fit）是評判擬合方程可靠度的重要目標，若失擬項結果不顯著則說明擬合方程可靠性強。

表 4 熔覆層高度測量結果Table 4 Measurment results of the cladding layer height

表 5 熔覆層高度的方差分析Table 5 Variance analysis for the cladding layer height

表5的熔覆層高度方差分析結果表明，在送粉量一定的情況下，掃描速度（B）對于熔覆層高度的影響十分顯著（P＜0.0001），對激光功率（A）、AB、B2的影響比較顯著（P＜0.1000），對A2的影響不顯著（P＞0.1000）。通過對比均方值大小可知，影響要素的重要程度為B＞A。失擬項的P值表現為不顯著，說明關于熔覆層高度的回歸方程有良好的可靠性。

采用Desigh-Expert中的攝動圖和響應面來評估各個工藝參數對熔覆層高度的影響，結果如圖3所示，其中縱坐標表示熔覆層高度，橫坐標表示工藝參數對熔覆層高度的影響系數（a）。由圖3可知，在預定范圍內，熔覆層厚度隨著掃描速度（B）的增加而逐漸遞減，這是由于激光對同步輸送的粉末熔融時間減少，熱輸入不足，可熔覆的有效粉末量減少；激光功率（A）與熔覆層高度呈近似線性關系（系數為負），這是因為稀釋率的高低與激光功率的變動密切相關，基體單位面積上獲取的能量跟激光功率的加大明顯上升，熔池的深度也明顯增大，且其變化趨勢要遠大于熔覆層高度的變化。

利用Design-Expert軟件得到回歸預測模型和方差分析，其中激光功率（A）和掃描速度（B）的相互影響模型如圖4所示。由圖中激光功率和掃描速度對于熔覆層厚度的交互影響（AB）響應面可以看出，響應值（H）顯然由于因素A與因素B的降低而加大。這也說明了，在保證送粉速度不變時，較低的激光功率與小的掃描速度相結合能夠形成高的熔覆層。

圖 3 工藝參數影響熔覆層高度的攝動圖Fig.3 Effect of the process parameters on the cladding layer height in perturbation diagram

圖 4 激光功率和掃描速度對于熔覆層厚度交互影響的響應面Fig.4 Response surface of the laser power and scanning speed to the interactive influence of the cladding layer height

2.2 金相組織

為了進一步研究各個激光熔覆參數下熔覆涂層金相組織的變化，對各個成形區(qū)域進行切割取樣，觀察熔覆層橫截面的金相組織。按照試樣選取、鑲嵌、試樣粗磨、試樣精磨、試樣拋光、試樣腐蝕的金相檢測步驟對試樣進行前期處理，侵蝕過程采用液體體積比V（FeCl3）:V（HCl）:V（H2O）=1:10:20的腐蝕液進行1 min的化學腐蝕。待試樣充分腐蝕后，使用GX50A倒置金相顯微鏡觀察熔覆層垂直于掃描方向的橫截面的幾何形貌及金相組織，結果如圖5所示。

圖 5 不同工藝參數下的熔覆層橫截面金相組織：（a）1500 W，3.3 mm/s；（b）1500 W，5.0 mm/s；（c）1500 W，6.7 mm/s；（d）1750 W，3.3 mm/s；（e）1750 W，5.0 mm/s；（f）1750 W，6.7 mm/s；（g）2000 W，3.3 mm/s；（h）2000 W，5.0 mm/s；（i）2000 W，6.7 mm/sFig.5 Metallographic structure of the cladding layer in the cross section under the different process parameters: (a) 1500 W, 3.3 mm/s;(b) 1500 W, 5.0 mm/s; (c) 1500 W, 6.7 mm/s; (d) 1750 W, 3.3 mm/s; (e) 1750 W, 5.0 mm/s; (f) 1750 W, 6.7 mm/s; (g) 2000 W,3.3 mm/s; (h) 2000 W, 5.0 mm/s; (i) 2000 W, 6.7 mm/s

從圖5可以看出，技術設定值的不同很大程度上影響著金相組織，圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）的金相組織顯示熔覆區(qū)與基體區(qū)的結合層不明顯，原因是激光功率偏小，熔覆金屬粉和基體攝入的能量不足，無法實現很好的熔融，很難形成明顯的結合層。從圖5（d）、圖5（e）、圖5（f）可以看出，隨著激光功率的增加，熔覆區(qū)和熔化區(qū)之間開始形成比較明顯的結合層，但是由于激光功率還偏小，圖5（d）中存在少量裂紋，圖5（e）中存在氣孔，圖5（f）中有較多裂紋和氣孔，原因是在激光功率一定時，掃描速率加快會使熱量輸入有所下降，組織中出現氣孔、裂紋等缺陷也在逐漸增多；在2000 W激光功率下得到的金相組織質量明顯提高，在圖5（g）、圖5（h）、圖5（i）中沒有發(fā)現明顯的氣孔、裂紋存在，主要區(qū)別是結合層的厚度由于掃描速度的加快而有所降低。結合實際生產要求以及產品對各個技術設定值的響應程度，最終確定最優(yōu)的工藝參數為激光功率2000 W, 掃描速度5 mm·s?1。

2.3 最優(yōu)工藝參數熔覆實驗

采用前期實驗獲得的技術設定值重新安排實驗，并對實驗后的熔覆層樣品進行相應的硬度檢測，結果如下表6?；w材料ZG06Cr13Ni4Mo的布氏硬度為HB 217～HB 286，硬度實驗的數據證實，合金熔覆層與所選不銹鋼的硬度值十分吻合。將磨制好的試樣置于70 ℃的體積比1:1鹽酸水溶液中進行侵蝕，在低倍顯微鏡下觀察熔覆層低倍組織形貌，結果如表7和圖6所示。圖中基材是ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼，熔覆材料是In625合金粉，熔覆層截面無明顯裂紋、氣孔。綜合所述，采用優(yōu)化后的工藝參數激光熔覆In625合金粉能夠獲得質量良好的熔覆層以及合格的產品。

表 6 硬度實驗結果Table 6 Hardness test results

表 7 樣品缺陷列表Table 7 List of cdefects

圖 6 樣品低倍組織形貌Fig.6 Low magnification morphology of the samples

3 結論

（1）在ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼基體上熔覆In625合金粉，在維持送粉量不變的條件下，熔覆層高度對激光功率與掃描速度的響應都比較明顯。激光功率和掃描速度直接決定著熔覆層能否完整形成，熔覆層的形成由單位時間、單位面積的激光能量決定，激光功率和掃描速度的大小決定輸入能量的強弱。

（2）要獲得優(yōu)質的熔覆層，激光功率與掃描速度均存在一個合理的限度；維持掃描速度等參數穩(wěn)定的同時，提高激光功率，合金涂層質量明顯提升。

（3）在考慮再制造時間成本和實際加工要求的情況下，熔覆工藝的最佳參數組合為激光功率2000 W，送粉量84 g·min?1，掃描速度5 mm·s?1，在此參數下獲得的熔覆試樣具有高質量的熔覆層，無氣孔和裂紋，且表面光滑，其顯微硬度與基材自身硬度一致。