激光工艺参数对H13钢粉末单道成形特性的影响

王岳亮,钟永华,李福海,马文有,陈兴驰,卢冰文,刘 敏

(广东省科学院新材料研究所 广东省现代表面工程技术重点实验室 现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东 广州 510650)

1 引 言

H13(45Cr5MoSiV1)钢作为较为理想的热锻模具钢,是金属成型中最常用的模具钢材料,但由于使用过程中频繁受到高温、冲击载荷和冷却液侵蚀等影响,在使用过程中极易损坏,过早失效,严重降低了H13热作模具钢的使用寿命,造成极大的资源浪费[1-3]。激光增材再制造是以激光熔覆技术为基础,对服役失效零件及误加工零件进行几何形状及力学性能恢复的技术行为,不仅可以使损伤的零部件恢复外形尺寸,还可以使其使用性能达到甚至超过新品的水平,有效延长模具的使用寿命[4]。因而H13钢的增材再制造修复研究非常重要。

激光增材再制造实质是合金粉末快速熔化和凝固的过程,其形成层的形状和性能与工艺参数密切相关。为获得良好的熔覆效果,国内外针对工艺参数对熔覆层形貌影响开展了相关研究。Marzban等[5]研究了在AISI 1040钢表面激光熔覆时激光功率、送粉速率和扫描速率对熔覆层高度、宽度及熔池深度的影响规律。刘思奇等[6]研究了不同工艺参数对H13钢表面制备Co42涂层的影响,指出工艺参量(离焦量、扫描速率、脉宽、频率)对涂层的稀释率、粗糙度和表面形貌等有很大影响。叶四友等[7]通过回归分析研究在H13钢表面制备H13合金涂层的工艺参数对单道熔覆层几何形貌的影响规律。在激光增材再制造过程中,准确预测单道成形层宽度和高度,能够提高成形精度和再制造效率,并且为多道、多层激光熔覆工艺规划提供依据[8-9]。本文在H13钢基体上激光增材再制造H13粉末单道涂层,并分析不同工艺参数对再制造成形层几何特征的影响规律,为激光增材再制造修复H13模具提供工艺基础支撑。

2 试样材料与方法

采用H13钢模具钢作为实验基材,使用前对基材H13钢用酒精清洗干净,去除表面油污铁锈。熔覆粉末为H13模具钢粉末,粉末粒度在50～150 μm之间,化学成分(以质量分数计)如表1所示,使用前烘干。

表1 增材再制造H13钢粉末的化学成分(质量分数%)

激光熔覆设备采用TruDisk 6006激光器,其配置了6+2轴KuKa机械手,送粉头采用3路同轴送粉；通入氩气保护,气体流量为10 L/min。加工时采用正离焦,粉末汇聚点位于基体表面,激光工艺参数为:激光功率为2000～2600 W,光斑直径为3～5 mm,送粉量由同步送粉器转盘速度控制为0.27 g/s,熔覆过程中保持熔覆速度600 mm/min。

试样经磨样抛光后采用5 %的硝酸酒精溶液(5 mL HNO3,95 mL无水乙醇)对截面和侧面进行腐蚀10 s,采用DMIRM550型(LEICA,德国)倒置式金相显微镜观察试样金相组织；用图像测量分析软件测量熔覆层的几何尺寸,为了减少测量误差,每个金相试样熔覆层宽度W和高度H测量了5次取平均值。

3 结果与分析

3.1 成型单道的几何特征

典型激光熔覆熔道截面如图1(a)所示。通常可将熔覆层的横截面分为 3 个区域:熔覆区(CZ)、基体熔化区(MZ)、热影响区(HAZ),激光熔覆材料的横截面如图1(b)所示,其中w表示基体熔化区的宽度,mm；h表示基体熔化区深度,mm；W表示熔覆区宽度,mm；H表示熔覆区高度,mm。

图1 典型单道熔道层截面图。

测量并统计的熔道和基体熔化区尺寸随辐照激光变化关系如图2中离散点所示。图中的横纵坐标误差棒显示测量多个位置的测量范围,最大约为8 %。其中图2(a)为激光光斑尺寸为4.94 mm时,熔道和基体熔化区几何参数随激光功率变化曲线,可以看到熔道宽度、高度及基体熔化宽度、深度均呈现随激光功率的增加而增加的趋势,且熔道宽度、高度为先迅速增大后缓慢增大趋势,基体熔化区宽度、深度经历从接近0到逐渐增大的过程。图2(b)为激光功率为2000 W时,熔道和基体熔化区几何参数随激光光斑尺寸变化曲线。可以看到熔道宽度、高度及基体熔化宽度、深度均呈现随激光光斑尺寸的增大而减少的趋势,且熔道宽度、高度为先几乎不变后迅速减小的趋势,基体熔化区宽度、深度随光斑尺寸增大近似线性减少。

图2 熔道宽度、高度及基体熔化宽度、深度随激光参数变化曲线

采用同轴送粉方法进行激光熔覆时,激光功率、光斑直径、扫描速度会影响能量密度的大小,为了综合分析熔道几何尺寸等的影响因素,引入了面能量密度ε,ε=P/VD。不同工艺参数下熔道宽度、高度,基体熔化宽度、深度变化曲线如图3所示。熔道宽度、高度,基体熔化宽度、深度随面能量密度增加都有增大趋势,其中熔道宽度随面能量密度增加先迅速增大,然后缓慢增加；基体熔化宽度随面能量密度增加逐步增大,并在一定范围内迅速增大到与熔道宽度相等后缓慢增加；基体熔化深度随面能量密度增加逐步增大。

图3 熔道宽度、高度,基体熔化宽度、深度随激光面能量密度变化曲线

在激光增材再制造过程中,激光、粉末和基体三者发送相互作用。激光束照射到粉末云上,一部分被粉末吸收,一部分透过粉末云照射到基体上,一部分以反射、散射、对流、辐射等方式损失掉。当面能量密度较小时,激光仅能熔化部分光斑范围内粉末成型熔道,粉末吸收大部分能量,反向基材吸收热量较少,基材热影响区小,在基材表面产生“热屏蔽”效应,基体熔化区宽度、深度均接近0。随着激光面能量密度的增大,基体区域接收的能量增大,熔池深度迅速增大,同时,激光能量密度的增加也会将更多的金属粉末熔化到熔池中使得熔道高度增加。然而,熔化一定的粉末量所需要的激光能量是确定的,一旦超过阈值,粉末易发生气化甚至形成等离子体,导致熔覆层高度增大缓慢,甚至有减小的趋势,明显小于熔池深度增大的幅度。另一方面,由于高斯光束激光光斑中心处能量密度最高,当面能量密度较小时,仅激光光斑中部高能量密度区域范围粉末可较好熔覆到基体,因而熔道宽度较小,同时基体熔化区域较浅,热对流作用相对较小,基体熔化区域宽度及深度较小。随着面能量密度增大,熔覆区材料吸热熔化充分,因而在一定范围内熔道宽度迅速增大,增大到与光斑直径尺寸相当时便开始缓慢增加,同时,基体区域接收的能量增大,熔池宽度也相应增大,直到与熔道宽度一致。

3.2 几何特征主要影响因素分析

为研究各工艺参数对熔覆层形貌影响的相对大小,采用极差分析法对实验结果进行了分析,实验参数设计和极差分析结果见表2和表3。通过极差分析可以获得各激光工艺参数对熔覆层形貌影响的主次顺序,极差R越大,说明该工艺参数对某一指标的权重越大。从极差分析的结果可以看出对于熔覆层宽度影响较大的是激光光斑直径；对于熔化区深度和宽度的首要的影响因素是激光光斑直径。而2个工艺参数对熔覆层高度的极差R值非常接近,可认为激光功率、激光光斑直径对熔覆层高度的权重相同。从图3中也可以看出高度在不同工艺条件下并没有发生显著变化,该极差分析结论与实验结果吻合。

表2 实验数据表

表3 极差分析结果

3.3 激光再制造层的几何特征模型

为分析获得熔覆层几何特征与工艺参数间的关联,建立再制造层几何特征模型,假设粉末颗粒和基体的热物理参数不随温度变化,粉末颗粒吸收率及发射率为一常数,且粉末流对激光束能量的衰减恒定[10-11]。

一颗粉粒从环境温度T0被加热到熔化,所需的最小能量为:

(1)

粉末在光束中受到激光辐照吸收能量,同时通过对流、辐射的方式向周围环境释放能量。因此,在激光辐照时间内,一粒恰好熔化的粉末在光束中的能量平衡方程为:

(2)

忽略熔池内部对流和表面张力、送粉气和保护气对熔池的扰动等因素影响,假设再制造层边界由距激光束最远的被完全熔化的粉末决定,根据激光能量守恒,可以理论推导得到熔覆层宽度W的表达式:

(3)

粉末与激光相互作用过程中,可能由于部分粉末因吸收热量不够而来不及熔化成型,也可能由于部分粉末因加热温度过高烧损和飞溅落在熔池之外,使得粉末有效利用粉末质量等于熔覆层的质量。根据假设,在激光作用时间t内,熔覆层质量平衡方程如下:

(4)

进而推导得到熔覆层高度H的表达式:

(5)

式中,η为粉末流的遮光率;α为激光吸收率;R为光斑半径;rp为单个粉末颗粒球的半径;ρ为金属粉末的密度;c为金属粉末的比热容;ΔHm为金属粉末的熔化相变热;T为粉末熔点;T0为环境温度;Δt为粉末颗粒在激光束中受照射时间的最大值;ε为全发射系数;σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数;h*为热交换系数;k为粉末有效利用系数;P为激光功率;vp为送粉速率;vs为扫描速率。

本实验所使用的模型所需工艺参数如表4所示。将各组参数代入模型计算后得到的理论值与实验值进行比较,作折线图4。由图4(a)(圆圈数据)可以看出,当粉末的激光吸收率为常数时,熔道宽度的模型预测结果仅与实验结果趋势基本符合,即在面能量密度较小时,成型层宽度随能量密度增大迅速增加；而当面能量密度达到一定数值后,熔道宽度增速放缓。但明显存在误差,模型精度较低。采用变吸收系数的修订模型拟合结果如图4(a)(方块数据)所示,与实验结果有较好的吻合。

表4 激光增材再制造工艺参数及几何特征模型系数

图4 不同吸收系数下熔道宽度理论值与实验值比较和不同粉末有效利用率下熔道高度理论值与实验值比较

从图5可以看出拟合吸收率随激光能量密度近似线性增长,当面能量密度由4.0 mJ/cm2提高到8.0 mJ/cm2时,粉末的激光吸收率由0.2提升到了0.9。这主要是由于低能量密度激光作用时,粉末升温较慢,整个激光辐照过程中吸收率相对较低；高能量密度激光作用时,粉末升温较快,整个激光辐照过程中吸收率相对较高。

由公式(5)可知,在粉末利用率不变的情况下,成型熔道高度与成型熔道宽度成反比,亦即如图4(b)(圆圈数据)所示,成型高度随能量密度增大呈先降低后趋于平缓的趋势,这与实验结果相差很大。这主要是由于在激光增材再制造过程中,粉末利用率随辐照能量密度变化而变化。采用变粉末利用率的修订模型拟合结果如图4(b)(方块数据)所示,与实验结果有较好的吻合。从图5可以看出,当激光能量密度较小时,粉末有效利用率较低,仅为12 %,而随着激光能量密度增大,粉末有效利用率逐渐增大,但增大趋势逐渐趋于平缓,最大可达50 %～55 %。这也与激光增材再制造过程较为吻合,即当面能量密度较小时,激光仅能熔化部分光斑范围内粉末成型,大量粉末未被完全熔化,无法与基体形成冶金结合的熔覆层,从而导致粉末有效利用率低。而随着激光能量密度增大,粉末逐渐充分吸收激光能量,有效利用率增大,待粉末充分熔化后,粉末有效利用率增长趋于平缓。

图5 吸收率与粉末有效利用率随激光面能量密度变化曲线

4 结 论

本文采用实验研究了H13钢表面单道激光熔覆的H13熔覆层,结果表明随着激光面能量密度的增加,熔池宽度、深度和熔覆层宽度、高度都会增加,且熔池深度有一直增大趋势,而熔覆层宽度和熔池宽度经历快速增大到缓慢增大的变化过程,熔覆层高度则增大到一定程度后有降低趋势。采用极差分析法分析了激光工艺参数对熔覆层熔道宽度、高度及基体熔化区宽度、深度的影响,分析发现对于熔覆层宽度、基体熔化区宽度、深度影响较大的是光斑尺寸,;激光功率、光斑尺寸对熔覆层高度的影响无显著差别；同时,也结合激光熔覆层几何特征的数学-物理模型对激光熔覆过程进行分析,数值拟合了不同能量密度激光的粉末利用率。发现随着辐照能量增大,粉末综合利用率先提高后趋于平缓。该结果可以激光增材再制造修复H13模具提供工艺基础支撑。