激光定向凝固参数对熔覆层宏观形貌以及微观组织的影响

喻 辉，胡芳友，崔爱永

(海军航空大学 青岛校区，山东 青岛 266041)

随着定向凝固和单晶高温合金在航空发动机涡轮叶片上的大量使用，叶片损坏后，采用传统的焊接修补技术，修复效果不佳，而采用激光定向凝固技术可以很好地解决这一难题。激光定向凝固技术是利用激光超高温度梯度和凝固速度使熔池内的组织定向生长，生长方向与基材择偶取向一致，从而实现对叶片的修补[1]。国内外定向凝固技术也早已取得成果，David W. Candy等[2]通过对热输入量的控制，实现了在IN-738上逐层沉积IN-939，中国科学院金属研究所黄庆南等[3]对涡轮叶冠工作面磨损失效进行了激光表面修复；但激光参数对熔覆层宏观形貌以及微观组织的影响鲜有研究。本文主要研究在不同激光参数下熔覆层宏观形貌以及微观组织的变化。

1 试验方法

基体材料选用DZ22，合金粉末采用自配粉末，基材化学成分见表1，合金粉末化学成分见表2。采用预置压片送粉方式，激光熔覆研究所使用的设备是自主研制的LER—3型Nd:YAG激光在线抢修机以及日本生产的ERCR—HP3—AA00型机械臂。

表1 DZ22合金化学成分(质量分数) (%)

表2 熔覆粉末合金化学成分(质量分数) (%)

激光参数主要包括电流I(A)、脉宽S(ms)、扫描速度V(mm/s)和频率f(Hz)。初步确定试验参数范围为：电流100～130 A；脉宽5～8 ms；扫描速度2～8 mm/s；频率数值应控制在扫描速度数值的1.5～2.5倍，然后进行正交试验设计。本试验将频率数值确定为扫描速度数值的2.5倍，为三因素四水平试验，其中因素A表示电流，因素B表示脉宽，因素C表示扫描速度，具体数值见表3。

表3 试验参数与水平

根据标准正交试验表行、列数要求，补充2列空列作为误差列，可得本文的正交试验表[4]。正交试验结果见表4。其中，W、H、D分别表示熔池的宽度、深度以及高度，这些宏观参数数值均在体式显微镜下测得；W/D、D/(H+D)[5]分别为宽深比与稀释度，是反映熔覆层宏观质量的重要参数。利用线切割沿与扫描速度垂直方向切取试样，得到熔覆层横截面，再对试样进行镶嵌、研磨和抛光后腐蚀，腐蚀液成分为5 g CuSO4+25 mL H2O+25 mL HCl，利用KH—7700三维体式显微镜和ULTRA 55场发射扫描电子显微镜(SEM)对试样组织和成分进行分析。

表4 正交试验方案及相应结果

2 试验结果

2.1 激光参数对熔覆层宏观形貌影响规律

对表4中的试验数据进行方差分析[6]，分析结果如图1所示。图1a～图1e分别表示各激光参数对熔宽、熔高、熔深、深宽比以及稀释度的影响规律，横坐标表示各因素不同水平，纵坐标表示各水平下的偏差平方。

图1 各参数对熔覆层宏观形貌的影响规律

图1a中，熔宽先随电流的增加而增大，达到最大后随电流的增加熔宽开始减小；熔宽随脉宽的增加而增大，大约呈线性变化；熔宽随扫描速度的增加也是不断增大，在低速和高速下的增长速率都明显比位于中间扫描速度区间的增长速率大。

图1b中，熔高随着电流的增加是先减小后增大，增加的幅度也呈增加趋势，所以在其他条件允许的情况下，大电流有利于增加熔高；熔高随脉宽的加大开始也是呈增加趋势，但随着脉宽的进一步增加，熔高不会再增加反而有减小的趋势，可能是因为在合金粉末厚度一定的情况下，大脉宽使熔宽不断增加，而使熔覆层在高度方面受到限制，不再随脉宽的增加而增加；熔高随扫描速度的增加呈减小趋势，所以高扫描速度不利于熔高的增加。

图1c中，熔深随电流的增加而增大，因为电流的增加使激光功率加大，熔池的能量也就越高，对基材的重熔也就越多，一般情况下，好的熔覆层熔深不宜过高，所以设计激光参数时电流不应过大；熔深开始随脉宽的增加变化不大，随着脉宽继续增加，熔深突然增大，增大到一定程度后熔深开始缓慢减小，所以在基本满足好的熔覆层质量的激光参数范围前提下，建议使用小脉宽；熔深随扫描速度的增加而增大，所以扫描速度也不应选择过高。

图1d中，宽深比随电流的增大呈减小趋势，主要是由熔深随电流增加导致的；宽深比随脉宽的增加是先增大后减小，说明开始熔宽随脉宽增加的幅度没有熔深随脉宽增加的幅度大，而后熔深随脉宽减小，宽深比开始随脉宽的增加而增大；宽深比随扫描速度的增加而减小，随着扫描速度的增加，宽深比减小的速率开始有所降低。

图1e中，稀释度随电流的增加先增大后减小，而且曲线增大的趋势比减小的趋势大；稀释度随脉宽的增加是先减小后增大，然后再减小，可能是由于脉宽影响作用不显著，所以脉宽对稀释度的影响趋势不可信；稀释度随扫描速度的增加而增大，所以激光参数中扫描速度不应过高。

根据上述分析结果，可以大致确定最佳激光工艺参数是110 A、6 ms、4 mm/s和10 Hz。

2.2 激光参数对微观组织的影响

不同电流下的熔覆层SEM图如图2所示。从图2中可以看到，当电流为100 A时，熔覆层中上部柱状晶方向性不明显，相邻枝晶间有角度，枝晶生长方向有偏移，并且枝晶生长连续性不好；当电流为110 A时，枝晶生长方向性开始明显，也有少量二次枝晶生长出，一次枝晶间距比底部大，枝晶干也变粗，这与W. Kurz等[7]得出的公式相符，熔覆层中部温度梯度比底层低，凝固速率比底层大，所以一次枝晶间距会变大；当电流为120 A时，一次枝晶干变粗，间距也持续变大，二次枝晶变多，也可以看到顶部柱状晶逐渐变为等轴晶；当电流为130 A时，柱状晶生长明显，一次枝晶干开始变细，二次臂生长加剧整齐排列在一次枝晶干两侧；当电流为140 A时，一次枝晶间距继续变大，二次枝晶生长继续增多，并且二次枝晶不断长大；当电流为150 A时，可以看到熔覆层上层的柱状晶逐渐消失，转变为细小等轴晶，等轴晶排列整齐有序，随着熔覆层高度继续上升，等轴晶开始变得杂乱无章，形成杂晶。

图2 不同电流下的熔覆层SEM图

不同激光脉宽下熔覆层SEM图如图3所示。从图3中可以看到，在低脉宽下(见图3a～图3d)，柱状晶生长明显，随着脉宽的增大，二次枝晶开始增多，一次枝晶干略微变细；在高脉宽下(见图3e和图3f)柱状晶和等轴晶共存，二次枝晶生长明显增多，柱状晶逐渐变为等轴晶。脉宽对熔覆层组织影响规律与电流类似，都是通过控制熔池热输入量的方式来影响熔池内各部位的温度梯度和凝固速度，进而控制柱状晶到等轴晶的转变，所以在选取的激光参数范围内，小电流和低脉宽有利于增多熔覆层的柱状晶组织，并且二次枝晶的生长受到抑制。

图3 不同脉宽下的熔覆层SEM图

不同扫描速度下的SEM图如图4所示。从图4中可以看到，低扫描速度下的熔覆层柱状晶区域比高扫描速度下的熔覆层柱状晶区域大，当其他参数一定时，扫描速度越高，越不利于柱状晶组织的形成。从图4中还可以看出，随着扫描速度的变大，枝晶生长方向性越差，扫描速度方向的横向温度梯度作用越来越显著，枝晶沿择优取向生长受到影响。

图4 不同扫描速度下的熔覆层SEM图

北京工业大学的张冬云等[8]在研究工艺参数对激光定向凝固组织的影响时发现，激光功率和一次枝晶尺度呈正相关，扫描速度和一次枝晶尺度呈负相关，本试验结果也比较吻合。另外，随着扫描速度的增加，转向枝晶区的高度有所降低，在高扫描速度下很难看到贯穿熔覆层底部到顶层的柱状晶组织。

3 结语

通过上述研究，可以得出如下结论。

1)根据正交试验结果，可以确定最佳激光参数约为110 A、6 ms、4 mm/s和10 Hz。

2)电流和脉宽与一次枝晶间距和转向枝晶区高度成正比，扫描速度与一次枝晶间距和转向枝晶区成反比；电流和脉宽的增加使溶池中的热输入量增大，热量容易累积，温度梯度降低，所以一次枝晶间距变大，二次枝晶增多并长大，上层等轴晶区域也变多，而扫描速度变大会减少熔池的热输入量，与扫描方向平行的横向温度梯度增大，不利于柱状晶的生长。

3)结合宏观形貌和微观组织可以发现，深宽比大的熔覆层柱状晶区域占比大。

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