高斯光束传播对激光熔覆覆层的影响

高文焱，赵树森，林学春

（中国科学院半导体研究所全固态光源实验室，北京100083）

激光熔覆是一种先进的表面改性技术，相比传统表面强化技术具有组织细化、稀释率低、变形小等优势[1-2]。近年来，国内外研究机构对激光熔覆工艺进行了大量研究与探索。Partes[3]研究了激光功率、扫描速度及粉末密度分布对熔覆的影响，发现增加扫描速度可提高粉末利用率。Sun Yuwen[4]在Ti6Al4V基体上熔覆了Ti6Al4V涂层，研究了激光功率、扫描速度、送粉率对覆层几何形貌与稀释率的影响，发现送粉率对覆层宽度、高度起主导作用；扫描速度对熔池深度起决定性作用。徐嘉隆[5]在Ni-Sn共晶合金的基材上熔覆Ni-Sn共晶合金粉末，发现随着激光扫描速度的增大，覆层底部共晶组织不断细化，共晶层片间距逐渐减小。栾景飞[6]研究了激光熔覆参数对灰铸铁激光熔覆层裂纹的影响，发现表层裂纹率随着激光扫描速度或激光功率的增加有其最低值。

现有针对激光熔覆工艺的研究主要是对激光功率、扫描速度、送粉率、离焦量等参数进行的分析，大多忽略了高斯光束传播对覆层几何形貌的影响。但高斯光束在传播路径上，其功率密度分布具有显著变化，这对于熔覆质量有着显著影响。为此，本文分析了高斯光束成像问题，研究了高斯光束在光路上的功率密度变化规律，在此基础上对工艺进行创新，采用负离焦光束进行熔覆，获得了稀释率较低，边缘良好冶金结合，无未熔颗粒、缺陷的覆层，为高质量大面积熔覆奠定了基础。

1 实验材料及方法

实验基材选用Q235，样品尺寸为：100 mm×200 mm×10 mm；覆材选用Fe901+5%Cr3C2粉末。实验所用激光器为3 kW的Nd:YAG全固态激光器。熔覆过程使用侧向送粉方式，送粉气流量3 L/min，送粉率8.5 g/min。进行单道激光熔覆工艺试验，工艺参数见表1。

表1 实验参数对照表

激光熔覆后，将获得的熔覆试样沿垂直扫描方向进行线切割，对试样截面进行磨、抛处理，选用酒精+4%硝酸溶液作为侵蚀剂，用光学金相显微镜观察熔覆层几何形貌与微观结构，采用显微硬度计测试涂层硬度分布。

2 实验结果与讨论

2.1 离焦量对覆层几何形貌影响规律

图1是正离焦条件下熔覆层的几何形貌，覆层均类似“蘑菇”形状。覆层上半部过宽，边缘结合质量差，存在孔洞（图2）。在第4组工艺参数条件下获得的覆层边缘甚至出现了缺损（图3、图4）。覆层下半部稀释率较高，近似成半圆形。

图1 3号试样截面光学显微图

图2 图1中A区域局部放大

图3 4号试样截面光学显微图

图4 图3中B区域局部放大

对于负离焦试样，其覆层截面形貌较好，结合处近似为一条直线，稀释率很低，热影响区较小，覆层与基体结合处存在“白亮带”，冶金结合良好[7]，见图5。

图5 7号试样截面光学显微图

2.2 高斯光束传输特性分析

使用ZEMAX对高斯光束聚焦进行光线追迹，同时得到焦点附近的光线分布情况（图6）。通过比较可发现，正、负离焦区域光束截面能量密度分布存在差别。在负离焦情况下，由中央到边缘光线密度逐渐变大，能量密度也随之升高，但整体变化不大（图7a）。在正离焦情况下，中央区域光线密，能量密度高；边缘区域光线稀疏，能量密度低，且两者相差很大（图7b）。在实际操作中，从负离焦20 mm开始到正离焦20 mm结束，期间每隔2 mm进行一次激光打点，打点功率为300 W，打点时间为0.5 s，得到的光斑分布见图8，可看出光束能量密度分布与图7基本吻合。

图6 焦点附近光线分布

图7 负、正离焦区域光束截面点列图

图8 不同离焦量下激光打点所得表面形貌

结合对高斯光束聚焦情况的模拟，对熔覆实验结果进行分析。在正离焦情况下，光斑中央区域能量密度大，使基体熔化较多，稀释率较大，覆层硬度有所降低；光斑边缘区域激光能量密度小，同时又考虑粉末对光束的遮挡，基体熔化量很小，稀释率低，但也使得边缘处结合质量差，有孔洞出现。在负离焦情况下，光斑中央与边缘区域能量密度差别较小，使得在一定送粉率下，覆材能充分熔化，而基体又不存在熔化不均匀的情况，在保证较低稀释率的同时又得到了良好的结合质量，热影响区也较小。

2.3 涂层性能对比

对于该涂层主要考虑其耐磨特性，因此仅考量涂层硬度分布即可。在显微硬度测试过程中，压力为1.96 N，维持时间15 s。

本实验所用覆层材料为Fe901+5%Cr3C2。单一的Fe901粉末进行激光熔覆后，覆层截面显微组织为树枝晶[8]。掺入Cr3C2后，由于其熔点高，在凝固过程中最先析出，成为异质晶核，同时还可阻断树枝晶生长，起到细晶强化的作用（图9）。部分分解的Cr3C2还可提供C原子，产生高硬度碳化物。这些因素的共同作用使覆层硬度显著提高。

图9 Fe901+5%Cr3C2覆层截面显微组织

对3号、7号试样进行显微硬度测试并进行对比，结果见图10。可看出两个试样的覆层显微硬度相差不大，7号试样略高，且热影响区小；3号试样的覆层显微硬度波动大，外表面硬度低。

图10 3号与7号试样覆层显微硬度对比

通过对比可看到正、负离焦对覆层形貌、稀释率、结合情况及覆层硬度的影响，分析原因主要在于正、负离焦情况下光束能量密度分布的差异。

3 结论

（1）高斯光束传播对激光熔覆覆层影响显著。在正离焦情况下，随着离焦量增加，能量密度逐渐减小，可实现覆材照射区域能量密度大，熔化充分；基体表面区域能量密度小，仅薄层熔化的效果，满足覆层对稀释率的要求。然而，这种工艺忽略了光束在垂直传播方向上的能量分布特点，造成覆层中央区域稀释率大，边缘处结合质量无法保证，同时存在未熔颗粒，影响多道搭接质量。采用负离焦这一新工艺方法，可提高光斑边缘区域的能量密度，缩小其与光斑中央区域的能量密度差，获得了稀释率较低，与基体冶金结合良好的涂层，为高质量大面积熔覆奠定了基础，为今后激光熔覆工艺提出了另一方向。

（2）本实验所用覆层材料为 Fe901+5%Cr3C2。由于Cr3C2熔点高，在凝固过程中最先析出，成为异质晶核，同时阻断树枝晶生长，起到细晶强化作用；部分分解的Cr3C2还能向覆层提供C原子，产生高硬度碳化物，使覆层硬度显著提高。

[1] 关振中.激光加工工艺手册[M].北京：中国计量出版社，1998.

[2] 张坚，邱斌，赵龙志.激光熔覆技术研究进展[J].热加工工艺，2011，40（18）：116-119.

[3] Partes K，Sepold G.Modulation of power density distribution in time and space for high speed laser cladding[J].Journal of Materials Processing Technology，2008，195（1-3）：27-33.

[4] Sun Yuwen，Hao Mingzhong.Statistical analysis and optimization of process parameters in Ti6Al4V laser cladding using Nd:YAG laser[J].Optics and Lasers in Engineering，2012，50：985-995.

[5] 徐嘉隆，林鑫，汪志太，等.激光熔覆Ni-Sn共晶合金的组织演变[J].应用激光，2011，32（1）：1-7.

[6] 栾景飞，胡建东，周振丰，等.激光熔覆参数对灰铸铁激光熔覆层裂纹的影响[J].应用激光，2000，20（2）：53-60.

[7] Liu Z，Chan K C，Liu L，et al.Bioactive calcium titanate coatings on a Zr-based bulk metallic glass by laser cladding[J].Materials Letters，2012，82：67-70.

[8] 周芳，朱涛，庞驰.铜对铁基合金激光熔覆涂层的影响[J].过程工程学报，2009，9（1）：76-80.