羅建，謝頌偉，毛家智，王梁，張群莉，葛鴻浩，姚建華

激光表面改性技術(shù)

穩(wěn)態(tài)磁場對激光熔覆鈷基合金宏觀偏析及元素擴(kuò)散影響

羅建1a,1b,2，謝頌偉1a,1b,2，毛家智1a,1b,2，王梁1a,1b,2，張群莉1a,1b,2，葛鴻浩1a,1b,2，姚建華1a,1b,2

（1.浙江工業(yè)大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院 b.激光先進(jìn)制造研究院，杭州 310000； 2.高端激光制造裝備省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，杭州 310000）

探究穩(wěn)態(tài)磁場對熔覆層宏觀偏析及元素擴(kuò)散的影響機(jī)制，為調(diào)控熔覆層元素分布提供理論指導(dǎo)。采用同軸送粉方式，利用穩(wěn)態(tài)磁場輔助激光熔覆制備鈷基合金熔覆層。通過光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡，對有無宏觀偏析區(qū)域的元素含量進(jìn)行半定量測量，分析了不同磁場強(qiáng)度條件下熔覆層的顯微組織及元素擴(kuò)散規(guī)律。在無磁場時，宏觀偏析主要存在于熔覆層底部，部分分布于熔覆層上層區(qū)域，并有一定的擴(kuò)散現(xiàn)象。加入穩(wěn)態(tài)磁場后，由于穩(wěn)態(tài)磁場產(chǎn)生的感應(yīng)洛倫茲力與熔池流動方向相反，抑制了熔池對流，宏觀偏析出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，且無明顯擴(kuò)散。加入穩(wěn)態(tài)磁場后，熔覆層宏觀偏析區(qū)域具有較高的Fe含量，最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)67.9%，這與基體中的Fe含量接近。熔覆層無宏觀偏析區(qū)域Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了8%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了12.1%，熔覆層底部宏觀偏析面積占比由10%增加到25%。穩(wěn)態(tài)磁場能夠使宏觀偏析產(chǎn)生富集，使更多的Fe元素存在于熔池底部，同時抑制Fe元素在熔覆層中擴(kuò)散。穩(wěn)態(tài)磁場有效降低了基體元素對熔覆層的稀釋，使無宏觀偏析區(qū)域的元素含量與粉末的元素含量更為接近。

激光熔覆；穩(wěn)態(tài)磁場；熔池；宏觀偏析；元素擴(kuò)散

激光熔覆是一種將合金粉末與基體材料經(jīng)激光輻射熔化后產(chǎn)生熔池，并快速凝固形成熔覆層的高效綠色表面改性技術(shù)。該技術(shù)具有結(jié)合性能優(yōu)異，稀釋率低、熱影響小、力學(xué)性能好等優(yōu)點，可實現(xiàn)零部件的局部或大面積修復(fù)，能在價格低廉的基體表面制備高性能涂層，被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、鐵路和能源等領(lǐng)域[1-6]。然而，在激光熔覆過程中，合金粉末與基體的熔化和凝固都是在極短時間內(nèi)完成，由于合金粉末與基體的化學(xué)成分不同，兩者物理性有所差異，因而在熔覆層中難免產(chǎn)生氣孔、裂紋、成分稀釋等缺陷[7-9]。在激光熔覆過程中，由于表面張力和熱對流的存在，熔池對流劇烈，使得基體成分與粉末成分充分混合，但基體成分的稀釋將大大降低粉末合金的有效利用率，從而降低了熔覆層的性能。為了解決這些問題，相關(guān)研究人員對此進(jìn)行了深入探討和研究。

Yang等[10-13]研究了在異種金屬焊接中的宏觀偏析產(chǎn)生機(jī)制，發(fā)現(xiàn)不同合金液相線溫度會形成2種不同的宏觀偏析特征。Wang等[14]采用氬弧焊在X65鋼上制備了高熵合金涂層，在涂層中發(fā)現(xiàn)了宏觀尺度上的溶質(zhì)偏析，對涂層中宏觀偏析區(qū)域和非宏觀偏析區(qū)域的耐蝕性進(jìn)行了研究。Barr等[8]研究了在激光熔覆超高強(qiáng)度鋼中的宏觀偏析對凝固裂紋的影響，發(fā)現(xiàn)微裂紋易出現(xiàn)在宏觀偏析痕跡的下方。Liu等[9]通過改變激光工藝參數(shù)，研究了不同稀釋率和宏觀偏析程度對熔覆層抗腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)高稀釋率和嚴(yán)重的宏觀偏析降低了熔覆層的耐腐蝕性。這些研究表明，熔池的對流和擴(kuò)散導(dǎo)致由基體擴(kuò)散到熔覆層中的Fe元素分布于整個熔覆層，從而降低了熔覆層的整體性能。然而，采用單一的激光熔覆技術(shù)難以對熔覆層中的溶質(zhì)遷移進(jìn)行有效調(diào)控。因此，科研人員采用多能場輔助激光制造過程取得了一定的調(diào)控效果，如電磁場、超聲振動等。Zhai等[15]采用電磁場輔助激光熔覆制備Ni基涂層，發(fā)現(xiàn)隨著電磁場強(qiáng)度增加，熔覆層的稀釋率降低，導(dǎo)致Fe元素含量降低。Liu等[16]采用旋轉(zhuǎn)磁場輔助激光熔覆，發(fā)現(xiàn)在磁場作用下，熔覆層晶粒組織被細(xì)化且分布均勻。Meng等[17]在激光焊接中引入電磁攪拌，采用數(shù)值模擬研究了電磁攪拌對溶質(zhì)輸運(yùn)及熔池流動的影響，發(fā)現(xiàn)在加入電磁攪拌后，Ni元素更均勻地分布在焊縫中。Bachmann等[18]通過數(shù)值模擬研究了穩(wěn)態(tài)磁場產(chǎn)生的哈特曼效應(yīng)，對激光焊接中熔池的流動模式和焊縫幾何形狀的影響。Gatzen等[19]研究了不同頻率磁場對激光焊接中元素分布的影響?？梢姡壳暗南嚓P(guān)研究僅針對熔覆層及焊縫中成分均勻分布進(jìn)行分析，并未深入研究激光熔覆過程中由于基體稀釋產(chǎn)生的成分偏析機(jī)制及元素擴(kuò)散。為此，采用穩(wěn)態(tài)磁場輔助激光熔覆，研究了熔覆層中宏觀偏析的機(jī)制，通過分析有無宏觀偏析區(qū)域的元素含量變化，討論了穩(wěn)態(tài)磁場對基體元素在熔覆層中擴(kuò)散的影響，為調(diào)控熔覆層成分提供了新的方法。

1 試驗

基體材料為316L奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.03%、1%、2%、16%、10%、2%，F(xiàn)e為余量。其基體尺寸為10 mm× 20 mm×200 mm。在實驗前采用800#砂紙將基板進(jìn)行機(jī)械打磨，并用無水乙醇對表面進(jìn)行15 min的超聲波清洗，去除表面油污及氧化物。熔覆層材料為GH5188，粒度為75～150 μm，其化學(xué)成分C、Si、Mn、Cr、Ni、W、Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01%、0.2%、1.25%、20%、22%、14%、3%，Co為余量。由于基體和熔覆粉末均為非鐵磁性材料，可免于磁場對激光熔覆過程產(chǎn)生的干擾。實驗采用德國Laserline公司LDF型2 kW光纖耦合半導(dǎo)體激光器，光斑直徑為4 mm，機(jī)械手為瑞士ABB工業(yè)機(jī)器人。熔覆之前將粉末在120 ℃真空干燥箱中干燥保溫2 h。激光熔覆優(yōu)化工藝參數(shù)為激光功率1 600 W、掃描速度600 mm/min、送粉率18 g/min，采用氬氣作為保護(hù)氣，流量為12 L/min。采用穩(wěn)態(tài)磁場輔助激光熔覆實驗，其原理示意圖見圖1，該實驗裝置提供的最大磁場強(qiáng)度為1.8 T。通過改變磁場強(qiáng)度進(jìn)行A、B、C等3組不同參數(shù)的激光熔覆實驗，實驗參數(shù)見表1。

圖1 穩(wěn)態(tài)磁場輔助激光熔覆原理及機(jī)制示意圖

表1 激光熔覆實驗參數(shù)

在激光熔覆實驗結(jié)束后，通過線切割將試樣沿橫截面和縱截面切成小塊，制備成金相試樣，采用王水腐蝕液對試樣進(jìn)行腐蝕，利用金相顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察腐蝕試樣表面，使用能譜儀（EDS）對熔覆層微區(qū)進(jìn)行成分分析。

2 結(jié)果討論

2.1 熔覆層宏觀組織分析

在激光熔覆過程中，稀釋率是指由于基體熔化而引起熔覆層合金成分的變化程度。這里研究在稀釋率相同情況下，通過穩(wěn)態(tài)磁場減少由于稀釋帶來的成分偏析。Liu等[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著稀釋率增加在熔覆層中的宏觀偏析也會加強(qiáng)。為了進(jìn)一步揭示穩(wěn)態(tài)磁場對熔覆層中宏觀偏析的影響，有必要計算在不同磁場強(qiáng)度下熔覆層的稀釋率（），其計算公式見式（1）。

式中：1、2是采用圖像分析軟件在試樣橫截面定量出來的面積，分別為基體稀釋區(qū)域面積和熔覆層面積（圖2a）。

試樣A、B和C的熔覆層橫截面形貌見圖2b—d，可以看出，穩(wěn)態(tài)磁場的加入使熔池形貌發(fā)生了明顯變化，這種現(xiàn)象與穩(wěn)態(tài)磁場在熔池產(chǎn)生的電磁阻尼有關(guān)。Bachmann[18]在穩(wěn)態(tài)磁場輔助激光焊接中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，認(rèn)為電磁阻尼可以減小凝固前沿的曲率。在每道熔覆層截取3個不同位置的試樣，計算稀釋率的平均值，得出在無磁場時的稀釋率平均值為44.2%；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9 T時，其稀釋率平均值為39.9%；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.8 T時，其稀釋率平均值為44.0%。由此可知，加入穩(wěn)態(tài)磁場后稀釋率的波動范圍在5%以內(nèi)。該現(xiàn)象表明，即使在稀釋率略有減小的情況下，穩(wěn)態(tài)磁場的作用使熔覆層中的宏觀偏析出現(xiàn)了富集，說明宏觀偏析富集的形成主要由穩(wěn)態(tài)磁場導(dǎo)致。

當(dāng)2種材料的液相線溫度不同時，一種材料會在和另外一種材料混合之前凝固，產(chǎn)生宏觀偏析[10-11]。為了進(jìn)一步探索穩(wěn)態(tài)磁場對宏觀偏析的影響，對熔覆層縱截面的帶狀偏析進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)偏析痕跡與熔池對流痕跡一致[20]，見圖3。在無磁場時，帶狀偏析（圖3中箭頭所指）主要分布于熔池的底部，表層的宏觀偏析較輕微。這是由于表面強(qiáng)烈的馬蘭戈尼對流造成熔池表層區(qū)域的流速相比熔池底部要高得多[21-22]，在此表層區(qū)域其對流比較充分，并且在表層觀察到宏觀偏析被對流沖散而向周圍擴(kuò)散的痕跡（圖3a）。在施加0.9 T和1.8 T的穩(wěn)態(tài)磁場后，由于穩(wěn)態(tài)磁場對熔池流速的抑制[23-24]，熔覆層的氣孔數(shù)量減少且尺寸變小，熔覆層的帶狀和塊狀偏析（圖3中橢圓所指）明顯增加。

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圖3 激光熔覆鈷基合金縱截面金相形貌

為定量分析穩(wěn)態(tài)磁場對宏觀偏析的影響，將整個熔覆層由上到下等分為5個層域，分別表示為S1、S2、S3、S4和S5，將熔覆層縱截面進(jìn)行二值化處理，并填充孔洞，分別計算每層域中宏觀偏析面積所占的百分比（圖4）。由圖4可知，熔覆層宏觀偏析面積占比從表層至底部呈由低到高的梯度變化，且隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，整個熔覆層的宏觀偏析面積占比逐漸增大。當(dāng)磁場強(qiáng)度為0時，縱截面S1至S4層域的宏觀偏析分布較為均勻，各層域的宏觀偏析面積占比小于2%，處于底部S5層域的宏觀偏析面積占比增加到10%。該現(xiàn)象表明，在無磁場條件下，富含基體成分的流體隨著熔池的對流，經(jīng)過充分?jǐn)嚢钄U(kuò)散后均勻分布在熔覆層上層區(qū)域。由于熔池底部流體流速小于上層，從而導(dǎo)致熔池底部宏觀偏析較多。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9 T時，每個層域的宏觀偏析面積占比進(jìn)一步增加，底部宏觀偏析面積占比達(dá)到25%；當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到1.8 T時，S1層域的宏觀偏析面積占比相較于0.9 T 時有所減小，該現(xiàn)象主要與穩(wěn)態(tài)磁場對熔池流動的抑制有關(guān)，此時熔池表層的流速更小，帶狀宏觀偏析更難隨流體運(yùn)動到表層區(qū)域，這與Wang[25]在電磁場輔助激光熔注過程中WC顆粒梯度分布的規(guī)律相似。

圖4 熔覆層每層域宏觀偏析占比

2.2 熔覆層微觀組織及EDS分析

為定量表示宏觀偏析程度，引入宏觀偏析大小公式[7]，見式（2）。計算結(jié)果表明，試樣A、B、C的宏觀偏析大小分別為0.375、1.05、1.13。試樣C的宏觀偏析量最大，這與2.1節(jié)的討論結(jié)果一致。

式中：mac為宏觀偏析；Co為宏觀偏析區(qū)域的Co含量；Co為無宏觀偏析區(qū)域的Co含量；Co為熔覆層中Co的平均含量。

為進(jìn)一步分析穩(wěn)態(tài)磁場對熔覆層中元素擴(kuò)散的影響，對熔覆層微觀區(qū)域元素進(jìn)行EDS能譜分析。試樣A、B、C頂部無宏觀偏析區(qū)域（圖3a、d、g）的EDS半定量分析見圖5。由圖5可知，在無磁場時，無宏觀偏析區(qū)域Co、Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.6%、28.7%；在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9 T時，無宏觀偏析區(qū)域的Co、Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30.6%、16.6%，相較于無磁場時Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了8%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了12.1%；在B=1.8 T時，無宏觀偏析區(qū)域Co、Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30.9%、16.7%，這與磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9 T時Co、Fe含量相近。這是由于加入磁場后，穩(wěn)態(tài)磁場對熔池流速的抑制作用，使熔池內(nèi)部的等效黏度增加，導(dǎo)致宏觀偏析發(fā)生聚集，從而抑制宏觀偏析區(qū)域內(nèi)的Fe元素向周圍區(qū)域擴(kuò)散，使得無磁場和有磁場時無宏觀偏析區(qū)域的元素含量有明顯差別。隨著磁場強(qiáng)度進(jìn)一步增加，熔覆層頂部無宏觀偏析區(qū)域的Co元素含量已經(jīng)與粉末中的Co含量相近，達(dá)到了極限值，即使磁場強(qiáng)度再進(jìn)一步增強(qiáng)，其值將不會發(fā)生明顯變化。圖5顯示，加入穩(wěn)態(tài)磁場后，無宏觀偏析區(qū)域保持著較高的Co含量和較低的Fe含量。這是由于穩(wěn)態(tài)磁場導(dǎo)致熔池整體流速降低，宏觀偏析得以完整地保留在熔池中而不被沖散，使無宏觀偏析處的成分與粉末成分更相近。

圖5 無宏觀偏析區(qū)域Co與Fe含量

圖3a中c區(qū)域的EDS能譜分析見圖6。其中，圖6a為c區(qū)域的二次電子顯微組織圖，可以觀察到，熔覆層組織為細(xì)小的樹枝晶，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布，這些樹枝晶穿過宏觀偏析區(qū)域沿著散熱相反的方向繼續(xù)生長。由圖6b—c可知，F(xiàn)e元素在宏觀偏析區(qū)域富集，Co元素在此區(qū)域較少。沿路徑的點掃能譜分析結(jié)果見圖6d，在此路徑上Fe元素含量總是比Co元素含量高，F(xiàn)e元素含量在宏觀偏析處猛增，最高可達(dá)質(zhì)量分?jǐn)?shù)49.2%，在宏觀偏析周圍區(qū)域，F(xiàn)e元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)30%左右。這說明無磁場時宏觀偏析處Fe元素向周圍大量擴(kuò)散，導(dǎo)致宏觀偏析附近的Fe元素增加，與2.1節(jié)討論結(jié)果一致。沿圖6a中直線箭頭的線掃能譜分析結(jié)果見圖6e—f，其波動趨勢與圖6d一致。

圖3b中e區(qū)域EDS能譜分析見圖7，從e區(qū)域的二次電子顯微組織圖（圖7a）可以觀察到宏觀偏析處的樹枝晶結(jié)構(gòu)，可清晰看到被化學(xué)試劑蝕刻的痕跡，而宏觀偏析處周圍區(qū)域樹枝晶結(jié)構(gòu)并不明顯，這可能與元素含量有關(guān)。由圖7b—c可知，在宏觀偏析處Fe元素大量富集，宏觀偏析處的寬度較無磁場時有所增加，表明宏觀偏析面積增加，這與式（2）計算結(jié)果一致。沿路徑的點掃能譜分析（圖7d）可知，宏觀偏析處Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)63.7%，在宏觀偏析周圍區(qū)域，F(xiàn)e元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%左右，最少處為12.4%，其Co元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%左右。為分析宏觀偏析周圍區(qū)域樹枝晶結(jié)構(gòu)不明顯的原因，分別對圖7a所示的A、B等2個區(qū)域成分含量進(jìn)行半定量分析，結(jié)果表明，A區(qū)域的Fe、Co元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.9%和30.5%；B區(qū)域的Fe、Co元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為16.1%和30.8%，F(xiàn)e元素含量的降低和Co元素含量的增加共同導(dǎo)致宏觀偏析周圍區(qū)域樹枝晶結(jié)構(gòu)在腐蝕后不明顯。沿圖7a中直線箭頭的線掃能譜分析結(jié)果（圖7e—f）與圖8d相對應(yīng)。由圖7可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9 T時，宏觀偏析周圍區(qū)域Fe元素含量相較于無磁場時明顯降低，表明穩(wěn)態(tài)磁場抑制了宏觀偏析處Fe元素的擴(kuò)散，使得無宏觀偏析區(qū)域的成分更接近粉末成分，抑制了基體成分對熔覆材料成分的稀釋。

圖6 無磁場時熔覆層EDS能譜分析

圖7 磁場強(qiáng)度為0.9 T時熔覆層EDS能譜分析

圖3b中f區(qū)域的EDS能譜分析見圖8，該區(qū)域為熔覆層與基體的結(jié)合區(qū)。圖3b中f區(qū)域的二次電子顯微組織圖見圖8a，該區(qū)域Fe和Co的面掃能譜分析圖分別見圖8b和圖8c。為進(jìn)一步探索宏觀偏析產(chǎn)生機(jī)制，對圖8a中A、B、C、D、E、F、G區(qū)域進(jìn)行EDS半定量分析，結(jié)果見表2。由表2可知，A、C區(qū)域的Co元素含量幾乎為0，F(xiàn)e元素的含量與基體中Fe元素（D區(qū)域）含量接近，E、F、G區(qū)域中含有Co元素。該現(xiàn)象表明，熔覆層的宏觀偏析為未與粉末合金充分混合的基體，被對流帶入熔覆層中，在較冷的熔覆層區(qū)域快速凍結(jié)，從而形成的“半島”組織。Soysal等[9]在激光焊接異種金屬過程中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。

圖8 磁場強(qiáng)度為0.9 T時結(jié)合處宏觀偏析EDS面掃分析

表2 結(jié)合處各區(qū)域Co、Fe元素含量

圖3c中f區(qū)域的EDS能譜分析見圖9，從該區(qū)域的二次電子顯微組織圖（圖9a）中觀察到與圖7a類似的樹枝晶結(jié)構(gòu)。在圖9a中發(fā)現(xiàn)了與圖8a相似的宏觀偏析區(qū)域（A、B），對其進(jìn)行EDS分析可知，A區(qū)域Fe、Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為67.2%和0.9%；B區(qū)域Fe、Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為67.9%和0.8%。此現(xiàn)象表明，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增強(qiáng)，對熔池對流的抑制更明顯，即使在熔覆層的中部也能發(fā)現(xiàn)未與粉末合金充分混合的區(qū)域。由圖9b—c可知，宏觀偏析處的寬度較磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9 T時更大，說明宏觀偏析面積進(jìn)一步增加，這與式（2）計算結(jié)果相符。沿著路徑的點掃能譜分析（圖9d）可知，宏觀偏析處Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)67.9%，在宏觀偏析周圍區(qū)域，F(xiàn)e、Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%和31.6%左右。沿圖9a中直線箭頭進(jìn)行線掃能譜分析（圖9d—f）可知，其波動趨勢與點掃結(jié)果相符。

2.3 熔覆層宏觀偏析產(chǎn)生機(jī)制

熔覆層的宏觀偏析產(chǎn)生機(jī)制示意圖見圖10。采用材料性能計算軟件得出基體與熔覆層的凝固曲線見圖10b。由圖10b可知，粉末合金的液相線溫度LB（1 370 ℃）比基體的液相線溫度LC（1 440 ℃）低，液相線溫度低的液態(tài)基體金屬首先發(fā)生凝固，由于成分過冷，在熔覆層中形成宏觀偏析。根據(jù)流體動力學(xué)無滑移邊界條件，流體在壁面處的速度為零[24]。假設(shè)在激光熔覆過程中，熔池邊界的對流較弱，將出現(xiàn)速度為零的層流層，即熔池底部未與粉末合金充分混合的液態(tài)基體金屬層，該層將在LB時開始凝固，形成類似于“海灘”的特征（圖10c）。在激光熔覆過程中，熔池中的對流為湍流模式，并且極不穩(wěn)定，部分液態(tài)基體金屬被對流沖散，經(jīng)過擴(kuò)散與粉末合金混合分布于熔覆層中，少部分的液態(tài)基體金屬來不及充分混合而發(fā)生凝固，形成帶狀的宏觀偏析。在無磁場時，由于強(qiáng)烈的馬蘭戈尼對流，被對流帶入熔池中的帶狀基體金屬到達(dá)熔池頂部時被沖散，并在熔池頂部擴(kuò)散，因此在無磁場時宏觀偏析主要存在于熔池底部（圖10d）。在加入穩(wěn)態(tài)磁場后，由于穩(wěn)態(tài)磁場對熔池流速的抑制作用，被對流帶入的帶狀基體金屬得以保留在頂部，宏觀偏析隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加進(jìn)一步增強(qiáng)，發(fā)生富集現(xiàn)象（圖10e）。這里引入由于磁場產(chǎn)生的哈特曼效應(yīng)來進(jìn)行解釋[27]，哈特曼數(shù)Ha為電黏度與動力黏度之比，見式（3）。

圖9 磁場強(qiáng)度為1.8 T時熔覆層EDS能譜分析

圖10 激光熔覆過程中宏觀偏析機(jī)制示意圖

式中：為電導(dǎo)率；為磁感應(yīng)強(qiáng)度；為熔池半寬；為流體的動力黏度。

由式（3）可知，哈特曼數(shù)與電導(dǎo)率、磁感應(yīng)強(qiáng)度和熔池半寬有關(guān)。根據(jù)Wang[25]的數(shù)值模擬研究可知，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，熔池的哈特曼數(shù)逐漸上升，且熔池底部的哈特曼數(shù)高于熔池頂部。該現(xiàn)象說明熔池底部的電磁黏度較大，從而導(dǎo)致熔池底部宏觀偏析面積占比較大，并抑制宏觀偏析向周圍區(qū)域擴(kuò)散。如果熔池底部的黏度繼續(xù)增加，宏觀偏析將會被抑制在熔池底部，熔覆層上部的成分將與粉末成分接近，將大大提高粉末的有效利用率。

3 結(jié)論

1）穩(wěn)態(tài)磁場產(chǎn)生的感應(yīng)洛倫茲力與熔池流動方向時刻相反，抑制了熔池流動，使熔覆層中的宏觀偏析出現(xiàn)富集現(xiàn)象。

2）在無磁場時，粉末合金與基體元素充分混合，少量的帶狀宏觀偏析存在于熔覆層底部。加入穩(wěn)態(tài)磁場后，熔覆層的宏觀偏析發(fā)生富集現(xiàn)象，更多的偏析存在于熔覆層底部，熔覆層底部宏觀偏析面積占比由10%增加到25%。

3）穩(wěn)態(tài)磁場可降低基體元素對熔覆層的稀釋，提高粉末的有效利用率。相較于無磁場時頂部無宏觀偏析區(qū)域Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了8%，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了12.1%。

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Effect of a Steady Magnetic Field on the Macro-segregation and Element Diffusion of Laser Cladding Cobalt-based Alloy

1a,1b,2,1a,1b,2,1a,1b,2,1a,1b,2,1a,1b,2,1a,1b,2,1a,1b,2

(1. a. College of mechanical Engineering, b. Institute of Laser Advanced Manufacturing Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310000, China; 2. Collaborative Innovation Center of High-end Laser Manufacturing Equipment Co-sponsored by Ministry and Province, Hangzhou 310000, China)

The substrate material was 316L austenitic stainless steel and the CL (Cladding layer) material was Cobalt-based alloy powder. In order to avoid the interference of the magnetic field in the LC (Laser cladding) process, both the substrate and the cladding powder are non-ferromagnetic. Cobalt-based coatings were prepared by LC assisted with a steady magnetic field. The maximum magnetic flux intensity is 1.8 T. During the experiment, the sample was kept stationary, while the laser head was moved to scan the substrate. The powder was injected into the molten pool through carrier gas with the laser coaxially. The surface of the corroded sample is observed with Optical metallographic microscope (OM), Scanning electron microscope (SEM), and the composition of the CL is analyzed by Energy dispersive spectrometer (EDS). The morphology of the molten pool changes obviously when the steady magnetic field is applied. With the increase of the magnetic flux density, the electromagnetic damping gradually increases, which reduces the convexity of the solidification line of the molten pool and made the bottom of the molten pool smoother. Without magnetic field, the macro-segregation moves with molten pool fluid, which is evenly distributed in the upper region of the CL after sufficient stirring and diffusion. Since the fluid velocity at the bottom of the molten pool is lower than that of the upper layer, the macro-segregation at the bottom of the molten pool is more obvious. The proportion of the macro-segregation area in the CL changes from low to high from the surface to the bottom. With the magnetic flux density increases, the proportion of the macro-segregation area in the entire CL gradually increases. With magnetic field, due to the damping effect on fluid flow, the macro-segregation can be completely retained in the molten pool without being dispersed. The zone without macro-segregation maintains a high content of Co and a low content of Fe. When there is no magnetic field, the Fe element at the zone of macro-segregation is diffused to the surrounding area, resulting in an increase of Fe element the zone of without macro-segregation. When the magnetic field is added, the Fe content in the zone around the macro-segregation is significantly reduced compared with the case without magnetic field. It is indicated that the diffusion of Fe element at the macro-segregation is suppressed by the steady magnetic field. Since the liquidus temperatureLB(1 370 ℃) of the powder alloy is lower than the liquidus temperatureLC(1 440 ℃) of the matrix, when the liquid matrix metal is brought into the molten pool with low temperature by convection, it will be quickly solidified in the molten pool. With the increase of magnetic flux density, the Hartmann number of the molten pool gradually increases and the distribution is uneven. Due to the lower temperature and higher conductivity at the bottom of the molten pool, the Hartmann number at the bottom of the molten pool is higher than the top of the molten pool. It is shown that the equivalent viscosity at the bottom of the molten pool is higher than that at the top of the molten pool. This phenomenon leads to severe macro-segregation at the bottom of the molten pool and suppresses the diffusion of macro-segregation to the surrounding area. The steady magnetic field suppresses the diffusion of macro-segregation in the CL, reduces the dilution of solute elements, and obtains the CL which is closer to the cladding powder.

laser cladding; steady magnetic field; molten pool; macro-segregation; element diffusion

TN249；TG111.4

A

1001-3660(2022)12-0320-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.12.033

2021–08–16；

2021–12–23

2021-08-16；

2021-12-23

國家自然科學(xué)基金重點項目（52035014）；浙江省科技計劃（公益技術(shù)）（LGG19E050024）；浙江省屬高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（RF-C2019003）

Supported by National Natural Science Foundation of China (52035014); Zhejiang Basic Public Welfare Project (LGG19E050024); Fundamental Research Funds for the Provincial Universities of Zhejiang (RF-C2019003)

羅建（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為能場輔助激光熔覆。

LUO Jian (1997-)，Male, Master, Research focus: energy field assisted laser cladding.

王梁（1983—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為多能場協(xié)同激光制造技術(shù)。

WANG Liang (1983-), Male, Doctor, Professor, Research focus: multi-energy field collaborative laser manufacturing technology.

羅建, 謝頌偉, 毛家智, 等. 穩(wěn)態(tài)磁場對激光熔覆鈷基合金宏觀偏析及元素擴(kuò)散影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(12): 320-328.

LUO Jian, XIE Song-wei, MAO Jia-zhi, et al. Effect of a Steady Magnetic Field on the Macro-segregation and Element Diffusion of Laser Cladding Cobalt-based alloy[J]. Surface Technology, 2022, 51(12): 320-328.