低温相变合金涂层激光熔覆工艺研究

杨超锋，吴世品，2，王权，2，王雪娇，马强

1.天津职业技术师范大学机械学院 天津 300222

2.汽车模具智能制造技术国家地方联合工程实验室 天津 300222

3.天津金桥焊材集团有限公司 天津 300399

1 序言

激光熔覆技术（Laser Cladding）是以高能激光为热源、使熔覆材料在基体表面熔化并形成致密合金涂层的技术。该技术熔覆材料范围广，使用无污染[1]；熔覆过程加热和冷却速度快，工序时间短[2]；熔覆涂层稀释率低，可形成良好的微观结构[3]。在激光熔覆过程中，工艺参数是影响熔覆层质量的关键因素，不合理的工艺参数会使熔覆层出现裂纹、气孔等缺陷。黄凤晓等[4]研究了激光扫描速度、送粉速率对熔覆层几何参数（宽度、高度）的影响。研究表明，随着扫描速率的增大，熔覆层的宽度、高度均减小；随着送粉速率的增大，熔覆层高度会增大。除此之外，合金粉材料也是影响熔覆层质量的重要因素。熔覆合金材料一般包括铁基、钴基和镍基等合金粉。大部分的合金粉在凝固过程中会产生拉应力[5]，残余拉应力的存在极易导致激光熔覆层出现裂纹、应力腐蚀或疲劳破坏[6]。低相变点（Low Transformation Temperature，简称LTT）合金是一种新型合金，在连续冷却过程中，利用低温区间发生马氏体相变产生的体积膨胀，抵消热收缩形成的残余拉伸应力，从而产生残余压应力，防止开裂，提高抗应力腐蚀性能和疲劳寿命。孙允森等[7]通过调整LTT合金中的Cr、Ni 含量发现，当马氏体开始转变温度（Ms）在300～330℃时，LTT合金熔覆层可获得较大的残余压应力。徐淑文等[8]对比两种不同成分的LTT合金粉的激光熔覆层性能，研究结果表明，两种LTT合金熔覆层的硬度和耐磨性均比基体提高2～3倍，LTT1和LTT2最高硬度分别为448HV和421HV。

目前，LTT材料在激光熔覆方面的应用相对较少，关于LTT合金熔覆层制备工艺的研究并不深入。因此，本文系统研究激光熔覆工艺参数对LTT合金涂层成形质量、组织和硬度的影响，通过改变激光功率、送粉速率和扫描速度等工艺参数，分析不同工艺参数组合对成形质量、稀释率的影响；同时，研究激光熔覆LTT合金涂层的微观组织特征和硬度，为LTT合金涂层制备和实际应用提供理论依据和指导。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

试验基材选用100mm×100mm×100mm的Q355B钢，基材经研磨机和砂纸打磨后，采用无水乙醇清洗，以保证基材表面清洁。激光熔覆采用自主设计配制的LTT合金粉作为熔覆合金粉，粉末粒度为≥150目（≤106μm），LTT合金熔覆层的化学成分见表1。

表1 LTT合金熔覆层化学成分（质量分数） （%）

2.2 激光熔覆试验

先利用球磨机将LTT合金粉混合均匀，再通过真空干燥箱加热烘干去除合金粉中的水分，烘干温度为110℃，烘干时间为40min。采用德国IPG光纤激光器和工业机器人手臂等仪器进行激光熔覆试验，连续熔覆10道，激光斑点2mm，离焦量18mm，搭接率为60%。根据LTT合金粉的特性和激光熔覆工艺特点，工艺参数范围选取激光功率1000～1400W，扫描速度8～16mm/s，送粉速率0.4～0.8r/min。试验通过改变激光功率、送粉速率和扫描速度制备不同的熔覆层，分析3个工艺参数变量因素与成形质量和稀释率之间的关系，以寻求最佳激光熔覆工艺参数，具体工艺参数见表2。

表2 LTT多道激光熔覆层的工艺参数

2.3 显微组织和硬度试验

沿垂直于激光熔覆方向线切割熔覆层，并将剖切面冷镶嵌，然后采用240～2000目砂纸依次打磨截面，用磨抛机进行抛光，选用4%硝酸酒精溶液腐蚀基体，选用10gFeCl3+30mLHCl+120mLH2O溶液腐蚀熔覆层，腐蚀时间为30～90s，然后采用AMP-2S蔡司高级金相显微镜观察熔覆层的显微组织。硬度试验采用显微维氏硬度计分别检测熔覆层、热影响区和基体母材的硬度分布，载荷0.2kg（1.96N），保压时间15s。

3 结果分析与讨论

3.1 熔覆层表面宏观形貌

图1所示为不同工艺参数下LTT合金熔覆涂层的表面宏观形貌和白光干涉图。当激光功率为1000～1400W、扫描速度为8～16mm/s、送粉速率为0.4～0.8r/min时，熔覆后的熔覆涂层纹路均匀，表面光泽、平整，也未见微裂纹、气孔等缺陷。采用白光干涉仪观察涂层表面，其中不同工艺参数试样的表面粗糙度为18.1～35.8μm，高度差为0.02～0.09mm，如图2所示。当激光工艺参数匹配不合理时，熔覆层表面成形质量较差，其中试样6（激光功率为1200W、扫描速度为8mm/s、送粉速率为0.6r/min）的扫描速度较慢，熔覆涂层表面纹路粗糙且不均匀，少部分区域有凹陷（见图1f）；同时，试样6的表面粗糙度值最高（见图2），表面成形较差。

图1 不同工艺参数下熔覆涂层表面外观形貌和白光干涉图

图2 不同工艺参数下表面粗糙度和高度差值

3.2 涂层界面结合质量

激光工艺参数的变化会引起激光能量密度的改变，从而影响熔覆涂层的成形质量。图3所示为不同工艺参数下LTT合金熔覆涂层界面形貌。从图3可看出，所有LTT合金涂层与基体结合的界面均呈现明显的波浪特征，厚度差最大值为 0.9mm，熔覆层与基体之间发生了互熔，且未见微裂纹、气孔等缺陷。其中，激光功率为1200W、扫描速度为12mm/s、送粉速率为0.8r/min时，即试样3的熔覆涂层界面出现微量小孔。

图3 不同工艺参数下LTT合金熔覆涂层界面形貌

根据激光能量密度公式（1）[9]，当激光功率和扫描速度不变时，激光能量密度不增加，而送粉量增大时，会导致激光能量不足，从而引起熔覆层与基体之间出现未熔合缺陷。

式中Pb——激光能量密度（Wh/m2）；

D——光斑直径（mm）；

v——扫描速度（mm/s）；

P——激光功率（W）。

3.3 工艺参数对熔覆层几何尺寸的影响

稀释率和成形系数是评价熔覆层成形质量的重要指数，稀释率过大时，易引起熔覆层开裂，稀释率过小时，基体与熔覆层结合不牢靠，稀释率低且成形系数大的熔覆层，其熔覆层成形质量越好，稀释率η和成形系数n的计算公式[10]分别为

式中W——熔覆层宽度（mm）；

H——熔覆层高度（mm）；

h——母材熔化深度（mm）。

图4所示为激光熔覆层的横截面几何尺寸。由于激光工艺参数与涂层质量的密切相关，因此通过Image J测量不同工艺参数的激光熔覆层横截面几何尺寸，并计算了成形系数和稀释率，结果见表3。

图4 涂层的界面几何尺寸

表3 LTT多道激光熔覆层的横截面几何尺寸

根据表3激光熔覆工艺参数对熔覆层几何尺寸的影响可知，随着送粉速率从0.4r/min增大到0.8r/min（试样1～试样3），LTT熔覆层的宽度略有增加，高度和成形系数逐渐增大，稀释率随之降低，稀释率最小为11%。送粉速率增大会导致送粉量增加，在相同激光热量下熔覆的金属增加，熔覆层高度和成形系数增大。其中，试样3送粉速度过大，导致涂层界面出现小孔及未熔合现象。随着激光功率从1000W增至1400W（试样4、试样2和试样5），熔覆层高度变化不明显，宽度和稀释率逐渐增大，成形系数降低。当激光功率逐渐增大时，熔覆时所释放的热量增加，在短时间内可熔覆更多的基体和熔覆材料，熔深逐渐增大，熔覆层的宽度增大。其中，试样4的激光功率过低，熔深浅，成形系数过大（92.8）。随着扫描速度从8mm/s增大到16mm/s（试样6、试样2、试样7），熔覆层宽度、高度降低，稀释率升高，成形系数呈先增大再降低的趋势。扫描速率的增大，热输入量降低，熔池金属来不及充分熔化和流动，因此熔覆层的高度和宽度随之降低，稀释率升高。其中，试样6由于扫描速度较慢，因此表面产生了凹陷。

3.4 熔覆层显微组织分析

由于试样3、试样4、试样6存在缺陷，所以选取试样1、试样2、试样5、试样7的熔覆层进行显微组织分析，如图5所示。

在不同工艺参数下，LTT合金熔覆层的显微组织均由马氏体（M）和奥氏体（A）组成，其中以马氏体组织为主，马氏体组织呈柱状晶和胞状晶分布；由于LTT熔覆层是激光熔覆多道形成，在道间一定区域会存在对下一道熔覆层的影响，从而形成再热处理作用，使熔覆层道间形成胞状马氏体组织。在马氏体柱状晶之间分布着长条状的奥氏体，而在胞状马氏体区域，奥氏体呈网状分布。对比图5b与图5c可知，随着激光功率从1200W增加到1400W，激光能量增加，熔池高温停留时间长，马氏体组织长大粗化，残留奥氏体含量增加。对比图5c与5d可知，当扫描速度从12mm/s增加到16mm/s时，热输入降低，在冷却过程中原始奥氏体来不及长大即转变为马氏体组织，因此扫描速度增加后，熔覆层中的晶粒出现细化现象。马氏体相变的温度与材料的化学成分密切相关[11，12]，熔覆层中含有大量的Cr、Ni合金元素，导致Ms降低，在激光熔覆过程中当熔覆层金属冷却至Ms点温度，奥氏体开始转变为马氏体；从Ms点温度至室温，奥氏体不断转变为马氏体，因此在LTT合金熔覆层显微组织中可见大量的马氏体组织，同时有少量未完全转变的残留奥氏体。

图5 不同激光工艺参数下熔覆层的显微组织形貌

在不同激光工艺参数下，LTT合金熔覆层界面结合处热影响区（HAZ）的组织基本相同，图6所示为基体母材和典型工艺参数下LTT熔覆层界面结合处热影响区的显微组织。基体母材的组织为珠光体（P）和铁素体（F），如图6a所示；熔覆层界面结合处热影响区分为粗晶区、细晶区和过渡区，如图6b所示；热影响区粗晶区由于激光熔覆过程中温度高，发生相变重结晶，因此冷却至室温时形成粗大的贝氏体组织，且在粗大晶粒的晶界处可见链状碳化物分布，如图6c所示；细晶区受激光熔覆热循环的影响，母材原有的组织发生相变重结晶，转变为细小的铁素体+少量弥撒的碳化物，如图6d所示。

图6 基体和热影响区组织形貌

3.5 熔覆层显微硬度

根据LTT合金熔覆层横截面的宏观形貌，将试样横截面分为熔覆层区、热影响区和基体区，选取距熔覆表面距离为0.2mm的位置，每隔0.2mm深度检测相应的显微硬度值，结果如图7所示。

图7 工艺参数对熔覆层显微硬度的影响

通过对比不同激光工艺参数下LTT熔覆层的硬度发现，熔覆层的硬度最高，硬度平均值均在373HV0.2以上，最大值可达408HV0.2；热影响区粗晶区的硬度次之，计算的硬度平均值为214～368HV0.2，从热影响区粗晶区到基体母材，硬度逐渐下降，基体母材的硬度平均值约为175HV0.2。结合上述显微组织分析结果，LTT合金熔覆层组织主要以马氏体为主，马氏体组织使其具有较高的强度和硬度；热影响区粗晶区组织主要为粗大的贝氏体组织，硬度次之；而基体母材的组织主要为珠光体+铁素体，因此硬度最低。对比不同送粉速率（见图7a）、不同激光功率（见图7b）和不同扫描速度（见图7c）的LTT合金熔覆层的硬度，熔覆层的硬度差别不大，均比基体母材的硬度提高1.2倍以上。其中，激光功率为1200W、送粉速率为0.6r/min、扫描速度为12mm/s的熔覆层硬度为408HV0.2，比基体硬度提高2.3倍。

4 结束语

1）当激光功率为1200W、送粉速率为0.6r/min、扫描速度为12mm/s时，LTT合金熔覆层表面成形良好，无裂纹、气孔等缺陷，涂层与基体界面熔合良好。

2）LTT合金熔覆层金属的组织由马氏体和少量残留奥氏体组成，马氏体组织呈柱状晶和胞状晶分布，残留奥氏体呈长条状或网状分布在马氏体之间。

3）LTT合金熔覆层的硬度最高，热影响区粗晶区次之，基体的硬度最低。其中，LTT合金熔覆层的硬度均比基体硬度提高1.2倍以上，在不同工艺参数下，LTT合金熔覆层的硬度无显著差别。