葉超，侯亮，陳云，徐楊，劉文志，王振忠

(1.廈門(mén)大學(xué),廈門(mén),361102；2.機(jī)械科學(xué)研究總院海西(福建)分院有限公司,三明,365000)

0 序言

激光熔覆是復(fù)雜金屬零件快速制造及修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，常廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車(chē)及電子等高端制造領(lǐng)域[1]，其激光熔覆制件成形精度和性能備受關(guān)注.激光熔覆工藝參數(shù)較多，并決定多道多層制件的成形精度及力學(xué)性能.對(duì)不同熔覆系統(tǒng)和材料，最優(yōu)工藝參數(shù)需重新確認(rèn)，因而熔覆工藝優(yōu)化至今仍是研究熱點(diǎn)[2].

在確定表面光潔度、層厚度及最終制件的尺寸精度方面，熔覆層幾何形貌有著重要作用，所以，為了確定熔覆最佳的工藝參數(shù)，現(xiàn)有研究主要以熔覆層幾何形貌為目標(biāo)，進(jìn)而開(kāi)展工藝優(yōu)化工作.目前熔覆工藝優(yōu)化方法主要采用數(shù)值模擬方法，解析法及經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析等.數(shù)值模擬可通過(guò)復(fù)雜的傳熱、相變仿真，實(shí)現(xiàn)熔覆幾何形貌預(yù)測(cè)，有利于提高工藝優(yōu)化的效率.例如，Gao 等人[3-4]通過(guò)三維瞬態(tài)數(shù)值模型分析不同工藝參數(shù)對(duì)單道熔覆層高度、寬度及熔池深度的影響，計(jì)算并驗(yàn)證了瞬態(tài)溫度場(chǎng)和熔覆層幾何形貌.解析法方面，Huang 等人[5]提出了熔覆過(guò)程的綜合分析模型，將高斯能量分布、粉末流及結(jié)構(gòu)相互耦合，實(shí)現(xiàn)熔覆層幾何形貌的快速預(yù)測(cè)及優(yōu)化.Ertay 等人[6]開(kāi)發(fā)了耦合沉積熱歷史和幾何形貌的解析模型，運(yùn)用質(zhì)量及能量平衡方程描述了局部激光-材料的相互作用，并實(shí)現(xiàn)了熱歷史和幾何形貌的預(yù)測(cè)，可進(jìn)一步應(yīng)用于工藝優(yōu)化研究.

文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)值模型及解析模型均能夠描述激光熔覆過(guò)程，但考慮激光束、粉末及基體之間存在許多復(fù)雜物理耦合作用，實(shí)現(xiàn)熔覆模擬及計(jì)算具有一定難度.相較而言，經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型可避免定量分析復(fù)雜物理過(guò)程，更適于工業(yè)應(yīng)用推廣.經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型主要通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、回歸分析、方差分析等，實(shí)現(xiàn)熔覆層幾何形貌預(yù)測(cè)及工藝參數(shù)優(yōu)化.不少研究利用回歸分析探索了單道熔覆層幾何形貌與耦合工藝參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明回歸模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)量值吻合良好，可進(jìn)一步用于熔覆工藝優(yōu)化[7-9].Wen[10]和Sun[11]等人利用響應(yīng)曲面法，研究了激光功率、送粉率及掃描速度對(duì)熔覆層幾何形貌的影響，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型優(yōu)化得到了最佳的工藝參數(shù).Alam 等人[12]采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)和響應(yīng)曲面法，研究不同工藝參數(shù)對(duì)AISI420 單道熔覆層幾何形貌的影響，并進(jìn)一步評(píng)估工藝參數(shù)對(duì)熔覆制件硬度的影響，為選擇合適工藝參數(shù)提供指導(dǎo).

工藝參數(shù)會(huì)對(duì)微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而微觀組織結(jié)構(gòu)直接決定熔覆制件的力學(xué)性能.因此工藝優(yōu)化的目標(biāo)不應(yīng)僅考慮熔覆層宏觀幾何形貌，還應(yīng)考慮微觀組織結(jié)構(gòu).Zhang 等人[13]通過(guò)比較連續(xù)激光技術(shù)和脈沖激光技術(shù)，發(fā)現(xiàn)脈沖激光的熔覆層具有更快的冷卻速率，平均晶粒尺寸更加細(xì)小，顯微硬度由210 HV 提高至1 160 HV.Li 等人[14-15]制備了具有納米級(jí)尺寸晶粒的激光熔覆層，不僅提高了顯微硬度，還一定程度上提升熔覆層的耐磨性.Montero 等人[16]研究不同激光功率對(duì)熔覆層微觀組織結(jié)構(gòu)影響，發(fā)現(xiàn)較低功率能產(chǎn)生更隨機(jī)、細(xì)小晶粒，可指導(dǎo)獲取力學(xué)性能更佳的熔覆制件.Zhang 等人[17]發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)影響熔覆過(guò)程中的能量輸入及冷卻速率，直接決定熔覆層的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能.Zhang 等人[18]優(yōu)化了鈦合金增材制造工藝，生成了超細(xì)晶粒，有效提升了熔覆制件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度.

綜上所述，熔覆工藝優(yōu)化多以宏觀幾何形貌為目標(biāo)，而熔覆制件的成形質(zhì)量由幾何形貌和微觀組織結(jié)構(gòu)共同決定.為此，文中以316L 不銹鋼為例，利用完全析因設(shè)計(jì)建立熔覆層宏觀幾何形貌、微觀晶粒平均截距與主要工藝參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，有利于分析各工藝參數(shù)及耦合作用對(duì)幾何形貌和晶粒平均截距的影響規(guī)律.在此基礎(chǔ)上，以宏觀、微觀性能為優(yōu)化目標(biāo)，確定最佳工藝參數(shù)及合適工藝參數(shù)窗口，并進(jìn)一步評(píng)估其拉伸性能及顯微硬度，驗(yàn)證所提出的宏微性能統(tǒng)計(jì)優(yōu)化方法的可靠性.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備工藝條件和前期試驗(yàn)基礎(chǔ)，熔覆的主要工藝參數(shù)有激光功率P、掃描速度v、送粉量Q、粉末離焦量D.多次重復(fù)試驗(yàn)雖能準(zhǔn)確估計(jì)試驗(yàn)誤差，但是增加試驗(yàn)次數(shù)和成本.因此，文中采用全析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了四中心四因子二水平試驗(yàn).該試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法可減少試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)，并準(zhǔn)確估計(jì)試驗(yàn)誤差及隨機(jī)誤差.此外，全析因設(shè)計(jì)可充分考慮工藝參數(shù)耦合作用.由于工藝參數(shù)的量綱并不一致，為方便對(duì)比，所以將因子水平編碼處理，轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱，即高低水平分別取1 和-1、中心點(diǎn)取0，具體因子水平見(jiàn)表1.

表1 工藝參數(shù)及其因子水平Table 1 Process parameters and factor levels

編碼后各因子對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)可直接用于比較，回歸系數(shù)絕對(duì)值越大則表明對(duì)響應(yīng)影響越顯著.自然變量(即實(shí)際的工藝參數(shù)大小)和編碼處理后規(guī)范變量之間轉(zhuǎn)換為

式中：X*為規(guī)范變量；X為自然變量；中心點(diǎn)M為高水平與低水平之和的一半，半間距d為高水平同低水平差值的一半.

1.2 試驗(yàn)分析

熔覆層宏觀幾何形貌有：寬高比λ、接觸角θ和稀釋率κ(熔覆深度dp與熔覆總高度h+dp之和的比值)，如圖1 所示.微觀組織結(jié)構(gòu)的表征為晶粒平均截距l(xiāng)，如圖2 所示.晶粒平均截距l(xiāng)的測(cè)量方式采用直線截點(diǎn)法[19].在熔覆層內(nèi)部的3 個(gè)區(qū)域內(nèi)，繪制測(cè)量線與晶粒(含柱狀晶)邊界相交，記錄測(cè)量截點(diǎn)數(shù)(不少于50 個(gè))為np，測(cè)量線總長(zhǎng)為L(zhǎng)，可得到晶粒平均截距l(xiāng)為

圖1 熔覆截面宏觀幾何形貌示意圖Fig.1 Schematic diagram of macro geometric morphology of cladding section

圖2 直線截點(diǎn)法示意圖Fig.2 Diagram of the straight-line intersection method

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，獲得工藝參數(shù)和多尺度特征響應(yīng)的映射關(guān)系，建立經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，即多元回歸模型.

式中：Yi響應(yīng)預(yù)測(cè)值；β0為常數(shù)；βj為第j個(gè)線性回歸系數(shù)；βij為第i個(gè)交互作用回歸系數(shù)；xi和xj為工藝參數(shù)變量；k為因子數(shù)量；ε為相關(guān)誤差.

1.3 優(yōu)化方法

回歸模型可用于工藝參數(shù)優(yōu)化.優(yōu)化過(guò)程中，將多尺度特征響應(yīng)轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的合意性函數(shù)di，根據(jù)特定響應(yīng)的要求可轉(zhuǎn)化為最小值及目標(biāo)值[10].其中最小值為

當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)為具體一個(gè)值時(shí)，其表達(dá)式為

式中：di為單個(gè)響應(yīng)的合意性；Yi為響應(yīng)值；Hi，Li為限定的上、下限；Ti為優(yōu)化的目標(biāo)值；wti為響應(yīng)權(quán)重系數(shù).對(duì)于宏微特征響應(yīng)的優(yōu)化，將宏微特征響應(yīng)的合意性di組合成復(fù)合合意性函數(shù)，即

式中：n為響應(yīng)的數(shù)量；ri為響應(yīng)的重要程度；可通過(guò)復(fù)合合意性的大小選擇最優(yōu)的工藝參數(shù).

2 試驗(yàn)設(shè)置

2.1 設(shè)備及材料

激光熔覆加工系統(tǒng)為五軸聯(lián)動(dòng)增減材復(fù)合加工中心，可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)增減材復(fù)合制造，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示.數(shù)控主軸上集成了光外同軸送粉熔覆頭，配置了2 000 W 光纖激光器，送粉器為雙筒轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)料送粉器，進(jìn)料偏差為2%.同時(shí)，采用高純度氬氣作為載氣和保護(hù)氣.

圖3 激光熔覆加工設(shè)備Fig.3 Laser cladding processing device.(a) laser cladding processing system;(b) spindle

金屬粉末為316L 奧氏體不銹鋼，粉末目數(shù)為100 目～ 200 目，為保證粉末流動(dòng)性，試驗(yàn)前先干燥粉末.基板采用45 號(hào)鋼，其規(guī)格為270 mm × 150 mm ×10 mm，試驗(yàn)前基板先用砂紙打磨除去銹漬，再用酒精擦除油污后烘干.

2.2 試驗(yàn)表征

熔覆單道長(zhǎng)度為65 mm，相鄰間距為5 mm.每道次熔覆結(jié)束后，均需冷卻到室溫，避免溫度對(duì)熔覆成形的影響.試驗(yàn)后，采用線切割設(shè)備沿垂直于掃描方向截取熔覆層橫截面試樣，對(duì)試樣分別進(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕處理.試樣共腐蝕2 次，先采用4% 硝酸酒精溶液蝕刻基體，再采用腐蝕液(酒精∶硝酸∶鹽酸體積比為1∶1∶1)蝕刻熔覆層.

宏觀幾何形貌和微觀組織結(jié)構(gòu)分別通過(guò)基恩士VHX-5000 超景深三維光學(xué)顯微鏡、日本電子JSM-IT500A 掃描電鏡進(jìn)行觀察和測(cè)量.顯微硬度測(cè)量采用維氏顯微硬度計(jì)，在熔覆層高度上，每間隔0.06 mm 測(cè)量一次，施加載荷為2.94 N，加載持續(xù)時(shí)間為15 s.拉伸試樣的取樣位置為熔覆層(厚度約30 mm)，取樣方向?yàn)檠刂鄹矑呙璺较?拉伸力學(xué)性能測(cè)試采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速度為2 mm/min，拉伸試樣平行于掃描方向，如圖4 所示.

圖4 拉伸試樣示意圖(mm)Fig.4 Schematic diagram of tensile specimen.(a)specimen preparation;(b) sample size;(c) tensile specimen

3 結(jié)果和討論

3.1 方差分析

將全析因試驗(yàn)隨機(jī)排序，按試驗(yàn)運(yùn)行序分別記錄響應(yīng)值，見(jiàn)表2.各試驗(yàn)單道熔覆層的橫截面如圖5 所示.

圖5 熔覆層橫截面Fig.5 Cladding cross section

方差分析中效應(yīng)的p值小于0.05 表明該工藝參數(shù)因子對(duì)響應(yīng)有顯著的影響.R2值大小、及預(yù)測(cè)值PredR2和調(diào)整值A(chǔ)djR2是否接近(一般差值小于0.2)，表明預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值之間的相關(guān)性.寬高比λ、接觸角θ、稀釋率κ和晶粒平均截距l(xiāng)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表3.采用式(3)的二階交互模型進(jìn)行擬合.以晶粒平均截距為例，擬合效應(yīng)的p值為0(<0.05)，說(shuō)明擬合模型是有效的，除激光功率P外，其余因子均為顯著的，其中還存在顯著的交互項(xiàng)PD，VQ.表3 中激光功率P對(duì)晶粒平均截距l(xiāng)影響并不顯著，但由于其交互項(xiàng)PD是顯著的，所以構(gòu)成交互項(xiàng)的P也予以保留.R2值為0.856，調(diào)整值A(chǔ)djR2為0.636，預(yù)測(cè)值PredR2為0.789，差值小于0.2，均說(shuō)明目前模型擬合良好.

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Results of ANOVA

3.2 工藝參數(shù)對(duì)多尺度特征的影響

根據(jù)方差分析結(jié)果，可得到對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù).上節(jié)已對(duì)因子進(jìn)行編碼處理，絕對(duì)值越大則說(shuō)明其影響更顯著.由式(1)和式(3)可得各響應(yīng)的表達(dá)式為

根據(jù)式(7)～ 式(10)，規(guī)范化的回歸系數(shù)見(jiàn)表4.此外，圖6～ 圖9 為各工藝參數(shù)對(duì)多尺度特征響應(yīng)的影響.

3.2.1 寬高比

結(jié)合表4 和圖6 可以看出，激光功率P、掃描速度V、送粉量Q及粉末離焦量D對(duì)寬高比λ有顯著的影響，其中最大正效應(yīng)是掃描速度V.隨著掃描速度V增加，寬高比λ相應(yīng)增加，即在單位時(shí)間內(nèi)，較高的掃描速度V導(dǎo)致粉末熔化量減少，引起熔覆層變“薄”.最大負(fù)效應(yīng)的是送粉量Q，寬高比λ隨其增加而減小，因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，隨著送粉量Q增加，激光能量熔化相對(duì)更多的粉末，引起熔覆層變“厚”.最大的交互效應(yīng)是VQ，產(chǎn)生顯著負(fù)效應(yīng).

圖6 因子對(duì)寬高比的影響Fig.6 Effect of factors on aspect ratio

3.2.2 接觸角

根據(jù)表4 和圖7 所示，接觸角θ受到激光功率P、掃描速度V、送粉量Q及粉末離焦量D的顯著影響.其中最大正效應(yīng)為掃描速度V，隨著掃描速度V的增加，接觸角θ先快速增加，然后增加速度逐漸減緩.最大負(fù)效應(yīng)為送粉量Q，接觸角θ隨其增加而減小.交互效應(yīng)VD也會(huì)對(duì)接觸角θ產(chǎn)生顯著負(fù)效應(yīng).

圖7 因子對(duì)接觸角的影響Fig.7 Effect of factors on contact angle

3.2.3 稀釋率

根據(jù)表4 和圖8 所示，稀釋率κ受到工藝參數(shù)激光功率P及送粉量Q的顯著影響.其中最大正效應(yīng)為激光功率P，隨著激光功率P的增加，更多的能量到達(dá)基板，稀釋率κ相應(yīng)地增加.最大負(fù)效應(yīng)為送粉量Q，隨著送粉量Q的增加，加強(qiáng)了粉末對(duì)激光的“屏蔽效應(yīng)”，減弱到達(dá)基板上的能量，稀釋率κ先平緩減小，然后減小速度逐漸加快.交互效應(yīng)對(duì)稀釋率κ均不產(chǎn)生顯著影響.

圖8 因子對(duì)稀釋率的影響Fig.8 Effect of factors on dilution rate

3.2.4 晶粒平均截距

根據(jù)表4 和圖9 所示，晶粒平均截距l(xiāng)主要受到掃描速度V、送粉量Q及粉末離焦量D的顯著的影響，而激光功率P對(duì)晶粒平均截距l(xiāng)的影響較小.其中最大正效應(yīng)為送粉量Q，隨著送粉量Q的增加，在一定范圍內(nèi)，降低了整體的能量輸入，引起更長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，導(dǎo)致晶粒粗化，即晶粒平均截距l(xiāng)增加.最大負(fù)效應(yīng)為掃描速度V，較高的掃描速度V會(huì)引起熱源快速移動(dòng)，加快冷卻速率，易產(chǎn)生較細(xì)晶粒，即晶粒平均截距l(xiāng)減小.交互效應(yīng)VQ和PD也會(huì)對(duì)晶粒平均截距l(xiāng)產(chǎn)生顯著影響，其中VQ有明顯負(fù)效應(yīng)作用，而PD則有明顯的正效應(yīng)作用.

圖9 因子對(duì)晶粒平均截距的影響Fig.9 Effect of factors on the average intercept of grains

表4 規(guī)范化的各響應(yīng)回歸系數(shù)Table 4 Normalized regression coefficients for responses

3.3 優(yōu)化及驗(yàn)證

3.3.1 多尺度特征優(yōu)化

式(6) 為多尺度特征響應(yīng)的復(fù)合合意性函數(shù)，以宏觀、微觀尺度的特征為目標(biāo)，用于工藝參數(shù)優(yōu)化.根據(jù)多尺度特征的要求，其中寬高比λ及接觸角θ是與熔覆形貌密切相關(guān)的形狀系數(shù)，反映熔覆層和基體的潤(rùn)濕性，為得到良好的潤(rùn)濕性，寬高比λ需大于3，接觸角θ一般不小于100°[20].在滿足冶金結(jié)合的基礎(chǔ)上，稀釋率κ取值為0.35～ 0.4[11].晶粒平均截距l(xiāng)以最小值為優(yōu)化目標(biāo).宏觀幾何形貌和微觀晶粒平均截距均其重要性一致，所以將各響應(yīng)重要程度ri、權(quán)重系數(shù)wti都設(shè)為相同值[10].表5 給出了優(yōu)化結(jié)果，其中，當(dāng)P=1 400.00 W，V=503.13 mm/min，Q=12.50 g/min，D=0.50 mm 時(shí)，具有最大復(fù)合合意性.

表5 優(yōu)化結(jié)果和試驗(yàn)Table 5 Optimization results and validation experiment

通過(guò)復(fù)合合意性確定的最優(yōu)工藝參數(shù)為空間離散點(diǎn).然而實(shí)際良好熔覆質(zhì)量常為連續(xù)工藝參數(shù)區(qū)間.因此，通過(guò)疊加多尺度特征響應(yīng)值的等高線，還可獲得多尺度特征協(xié)同優(yōu)化的連續(xù)工藝參數(shù)窗口.根據(jù)式(7)～ 式(10)，以掃描速度V和送粉量Q為變量，激光功率P和粉末離焦量D為常量，以3.5＜λ＜4，120°＜θ＜130°，0.35＜κ＜0.4 及最小化l為目標(biāo)邊界，構(gòu)建了響應(yīng)面.通過(guò)疊加多個(gè)響應(yīng)面并在V與Q構(gòu)建的平面上投影，確定了響應(yīng)等高線，如圖10 所示，陰影區(qū)域?yàn)闈M足多尺度特征要求的連續(xù)工藝參數(shù)窗口，圖中A 點(diǎn)表示上述優(yōu)化中具有最大復(fù)合合意性的優(yōu)化結(jié)果.

圖10 優(yōu)化等值線圖Fig.10 Optimized contour maps

3.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用具有最大復(fù)合合意性的工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證.預(yù)測(cè)誤差見(jiàn)表5，其中寬高比 λ誤差為12.5%、接觸角θ誤差為2.76%、稀釋率κ誤差為9.68%、平均截距l(xiāng)的誤差為4.67%，說(shuō)明該模型具有較高的預(yù)測(cè)精度.最優(yōu)化工藝參數(shù)的微觀組織結(jié)構(gòu)如圖11 所示，熔覆層與基體形成了良好的冶金結(jié)合，整個(gè)熔覆層沒(méi)有氣孔和裂紋.圖11b 顯示了熔覆層底部的微觀組織結(jié)構(gòu)，主要分布為等軸晶，熔合線交界面上分布部分柱狀晶，其形成主要是由溫度梯度和冷卻速率共同決定的[21].圖11c 和圖11d 分別為熔覆層的中部和右側(cè)的微觀組織結(jié)構(gòu)，由于遠(yuǎn)離熱源，具有較高的冷卻速率，形成了細(xì)小的等軸晶.

圖11 優(yōu)化組熔覆層微觀組織結(jié)構(gòu)Fig.11 Microstructure of cladding layer for optimization.(a) cladding layer of optimization group;(b)bottom region;(c) central region;(d) right region

試驗(yàn)組19 的微觀組織結(jié)構(gòu)如圖12 所示，在該工藝參數(shù)下，較低的激光功率降低了輸入的能量密度，在單位時(shí)間和單位距離內(nèi)沒(méi)充足的能量熔化粉末，所以形成過(guò)小的熔池，導(dǎo)致基體和熔覆層的冶金結(jié)合不良.熔覆層和基體之間存在未熔合的區(qū)域，熔化的金屬液體流向熔池外側(cè)，在流動(dòng)過(guò)程中逐漸凝固，然后形成一個(gè)不與基體結(jié)合的區(qū)域，如圖12a 所示.在熔覆層搭接時(shí)，未熔合區(qū)域易形成重疊空隙，對(duì)成形質(zhì)量極為不利.激光能量密度過(guò)小，不利于熔覆層內(nèi)部氣體的逸出，容易產(chǎn)生較小的孔隙，如圖12b～ 12d 所示，影響熔覆制件性能.

圖12 試驗(yàn)組19 熔覆層微觀組織結(jié)構(gòu)Fig.12 Microstructure of cladding layer for experimental No.19.(a) cladding layer of No.19 experiment;(b) left region;(c) bottom region;(d) right region

在微觀組織結(jié)構(gòu)上，優(yōu)化組和試驗(yàn)組19 的晶粒平均截距分別為5.570 μm 和5.769 μm，說(shuō)明優(yōu)化組具有更加細(xì)小的晶粒.在熔覆層高度方向上，分別測(cè)量?jī)?yōu)化組及試驗(yàn)組19 的顯微硬度，結(jié)果如圖13 所示.從圖中可看出，2 組試驗(yàn)的顯微硬度具有基本一致的分布趨勢(shì)，優(yōu)化組的整體顯微硬度也略高于試驗(yàn)組19.

圖13 維氏顯微硬度Fig.13 Vickers microhardness

在拉伸性能方面，采用最優(yōu)工藝參數(shù)：P=1 400.0 W，V=500.0 mm/min，Q=12.5 g/min，D=0.5 mm，得到熔覆制件，其中掃描間距為1.2 mm、單層抬升高度為0.7 mm.通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試得到拉伸曲線，如圖14 所示.從圖中可看出試樣具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，分別達(dá)到了439 MPa和751 MPa，抗拉強(qiáng)度超過(guò)316L 鍛造的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)525～ 624 MPa[22].同時(shí)還具有一定的塑形，其斷后伸長(zhǎng)率為26%.試樣截面如圖15 所示，可看出相鄰熔覆層內(nèi)部主要分布著細(xì)小等軸晶，未發(fā)現(xiàn)明顯孔隙、未熔合及裂紋等瑕疵.

圖14 拉伸性能Fig.14 Tensile properties

圖15 多層多道試樣的橫截面Fig.15 Cross-section of multi-layer specimen.(a) cross section of the sample;(b) partial enlarged view of the section

4 結(jié)論

(1) 采用全析因設(shè)計(jì)和回歸分析所構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，可實(shí)現(xiàn)宏微觀特征較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，其中寬高比λ、接觸角θ、稀釋率κ及晶粒平均截距l(xiāng)的誤差分別為12.5%，2.76%，9.68%及4.67%.

(2) 以熔覆層宏微觀特征為優(yōu)化目標(biāo)，獲取最佳工藝參數(shù)為P=1 400 W，V=500 mm/min，Q=12.5 g/min 及D=0.5 mm.此外，通過(guò)疊加多個(gè)響應(yīng)的等高線，獲得宏微觀特征協(xié)同優(yōu)化的合適工藝窗口，同樣適用于指導(dǎo)熔覆成形.

(3) 使用最佳工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，熔覆層具有良好的幾何形貌，未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔、裂紋等缺陷.熔覆層內(nèi)部以細(xì)小等軸晶分布為主，具有更高的顯微硬度.最后，熔覆制件具有良好拉伸性能：屈服強(qiáng)度為439 MPa，抗拉強(qiáng)度為751 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為26%.