Fe901合金粉末激光熔覆层组织分布与缺陷产生机理分析*

闫晓玲 董世运 徐滨士 闫世兴 王望龙

(①北京工商大学材料与机械工程学院，北京 102488;②装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072)

激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景［1－4］十分广阔。从当前激光熔覆的应用情况来看，其主要应用于两个方面:一是对材料的表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等;二是对产品的表面修复，如转子，模具等。有关资料表明，修复后的部件强度可达到原强度的90%以上，其修复费用不到重置价格的1/5，更重要的是缩短了维修时间，解决了大型企业重大成套设备连续可靠运行所必须解决的转动部件快速抢修难题。实践表明，影响激光熔覆再制造［5］零件服役性能和服役寿命的关键因素是激光熔覆层的残余应力和缺陷(气孔、裂纹、夹杂等)。关于激光快速成形过程中残余应力的研究国内外已开始有报道［6］，但对Fe901铁基自熔合金激光熔层内部缺陷产生的机理研究较少。故本文从Fe901激光熔覆层组织分布特征入手，探讨激光熔覆层内部缺陷产生的机理，从而为激光熔覆技术工艺优化、激光熔覆层质量评价提供指导。

1 试验方法

实验采用45#钢为基体材料，试样尺寸为100mm×10mm×80mm，激光熔覆材料选用Fe901铁基自熔合金粉末，粉末粒度为－140～325目，成分如表1所示。实验前，对粉末进行真空干燥处理，去除粉末表面吸附的水分。

实验采用连续波Nd:YAG激光器、同步送粉方法，通过单道搭接多层堆积制备激光熔覆试样。激光束波长为1.06μm，光斑直径为2mm，激光熔覆工艺参数为功率1 kW，扫描速度5～10mm/s，送粉量3.0 g/min，Z轴抬升量0.25mm，搭接率40%，激光熔池保护气体采用氩气。

分别采用800目，1200 目，2000 目砂纸打磨试样，在抛光机上抛光之后，采用丙酮清洗，在空气中烘干，再用王水(HNO3和HCL按1:3比例混合物)腐蚀激光熔覆层组织，采用光学显微镜(OM)分析试样的显微组织。

表1 Fe901合金粉末成分

2 试验结果及分析

2.1 激光熔覆层显微组织分析

图1为单道搭接多层堆积激光熔覆层与基体结合的金相组织，从图1可以看出:熔覆层与基体之间形成了一层薄薄的平面晶组织。其原因在于在基体上开始堆积时熔覆层材料受到强烈冷却，与基体之间存在很大的正温度梯度，同时基体表面是非均匀形核的有利位置，因而在基体表面上产生大量晶核，这些晶核迅速长大至相互接触便形成平面晶组织。这层平面晶体组织的形成使得基体和熔覆层之间形成了良好的冶金结合。图2为单层激光熔覆层内的金相组织。从图2可以看出，层内组织为柱状晶和树枝晶混合而成，这是由于Fe901合金凝固过程中不同成分的元素(表1所示)凝固点不同，高熔点的溶质元素先凝固，这样液固相界面前沿存在着熔点较低的溶质元素的偏聚，导致界面前沿液体熔点的改变。合金液体的熔点随着溶质浓度的改变而改变，这样界面前沿过冷的产生将不仅取决于界面前沿液体中实际温度的分布，还与溶质浓度的分布有关(成分过冷)，随着距固液界面距离的增加，成分过冷增大，从而形成柱状晶和树枝晶组织。图2中柱状晶和树枝晶的生长方向大致与基体结合面垂直，其原因在于底部平面晶组织形成的同时，释放出结晶潜热使液体的过冷程度减小形核率迅速降低，只有细晶区已形成的晶体向液体中长大。由于垂直于基体结合面的方向散热最快，而且细晶区中各晶粒的结晶位向不同，所有只有那些与散热方向平行的晶粒能够继续向液体深处生长，从而形成大致与基体结合面垂直的柱状晶和树枝晶混合区。图3为相邻熔覆层之间的结合区域。从图3可以看出，在单道搭接多层堆积过程中，高能激光束作为移动热源，加工过程中，熔池周围的材料被快速加热，因此前道熔覆层有一部分熔化、一部分退火，即存在二次熔化，二次热影响现象，进而发生组织的粗化。图4为多层堆积熔覆层的顶部显微组织。从图4可以看出，顶部组织与层内和底部组织不同，出现了细小的等轴晶。其原因在于多层堆积过程中，已成形的熔覆层较基体具有较高的温度，并且结晶过程中随着结晶潜热的不断释放，凝固时的温度梯度G减小，在熔池顶部，通过与空气对流、辐射等方式冷却［7］，结晶速度R逐渐增大，因此G/R减小，固液界面前沿的液体中的成分过冷增大。当成分过冷增大到一定程度的时候，在固液界面前沿的液体中生成许多新的晶核，并沿着各方向长大，这样阻碍了柱状晶和树枝晶的生长并形成细小的等轴晶体，同时熔覆层的上层组织出现了明显的不均匀，一些粗大的条状物分布在上层阻碍了细小等轴晶的生长，形成许多微观的组织缺陷。这主要是由于多层堆积过程中，高熔点的成分在冷却过程中首先凝固，而低熔点的成分随着固液界面逐渐流向上层，因此熔覆层表层低熔点成分相对较多，成分不均匀性增加。

2.2 激光熔覆层缺陷产生机理分析

激光熔覆以高能激光束作为移动热源，通过快速加热、熔化和冷却为材料加工提供了常规手段无法实现的极端非平衡条件，使成形件具有优异的综合性能;另一方面，由于局部受热不均匀及膨胀系数的差异，可能会产生多种缺陷，主要有:气孔、裂纹、夹杂、显微缩孔等。

激光熔覆过程中，合金粉末受潮或者基体表面有油、锈或水分等污物存在;熔池保护效果不好，空气侵入熔池;溶液中的碳与氧反应或金属氧化物被碳还原成二氧化碳等气体，在熔覆层快速凝固过程中，这些气体来不及逸出会形成气孔。多层堆积过程中，不同成分的元素凝固点不同，高熔点的溶质元素先凝固，而低熔点的溶质元素随着固液界面逐渐流向上层，因此熔覆层表层低熔点成分相对较多，成分不均匀性增加，熔覆层组织中会出现一些粗大的条状物夹杂，形成许多微观的组织缺陷(图4所示)。这些缺陷会增加熔覆层开裂的敏感性。

激光熔覆盖的快热、快冷过程中，由于局部受热不均匀，使得熔池及周围材料温度较高，这部分材料在冷却和凝固收缩时，必然会受到周围较冷区域的约束从而产生热应力，当热应力大于材料的抗形变能力时，就会产生裂纹。另外液态金属结晶转变为固态金属的过程中，伴随着金属体积的收缩，体积收缩可分为三个阶段:即液态金属体积的收缩;由液态金属转变为固态金属时的体积收缩;固态金属体积收缩。当熔池内材料处于液态时，冷却过程中，体积收缩可以由自由流动的液态流动的液态金属来补充，液态金属体积的变化不会引起组织的形变及内部应力的增大;随着温度的快速下降，液态金属内部形成晶核，在正温度梯度形成过冷条件下，沿着散热方向生成柱状晶和树枝晶，此阶段的体积收缩，仍然可由自由流动的液体来补充，但是随着柱状晶和树枝晶的不断生长，枝晶之间形成相对封闭区域，这个区域内的液态金属凝固收缩时，不会有自由流动的液体补充，必然会引起周边已结晶晶粒的牵制和约束，因此晶粒内部会产生应变，从而产生应力。这时晶粒受到的应力从局部看表现为拉应力。若此阶段液态金属体积收缩比较大，枝晶之间还可能出现显微缩孔。在应力作用下显微缩孔往往会成为裂纹源。凝固完成后，随着温度的下降固态金属也会发生体积收缩，由于激光熔覆合金粉末成分不一，局部受热不均匀，各部分形变不均匀，形变量不同，内应力进一步加大，当应力大于材料的抗形变能力时，就会产生裂纹。

Griffith［8－9］等人的研究结果表明:激光熔覆过程中，平行于激光扫描方向的应力以拉应力为主。随着激光能量的不断输入，熔覆层内残余应力逐渐累积增大，严重时会引起熔覆层开裂，裂纹通常从微观组织缺陷处(气孔、夹杂、显微缩孔)开始萌发。垂直于激光扫描方向的应力开始为拉应力，熔覆高度达到一定数值时，稳定为压应力。Griffith的研究结果还表明:当熔覆层增加到一定高度时，整个熔覆过程处于均衡阶段，残余应力基本保持不变。其原因在于熔覆初始阶段，基体和熔覆层的温度梯度较大，主要以局部受热不均匀而产生的热应力(拉应力)为主，随着熔覆层数的增加，前道熔覆层的热量来不及充分扩散，同时结晶潜热的放出，使得前道熔覆层和后道熔覆层的温度梯度减小，后道熔覆层加热时相当于对前道覆盖层的回火，因此已经凝固的覆盖层拉应力逐渐减小，甚至出现压应力。

通过以上分析可知:激光熔覆层缺陷的产生与激光熔覆加工工艺及内部组织分布特征有关。

2.3 激光熔覆层缺陷控制方法

通过优化激光熔覆工艺参数，借助外界因素调整激光熔覆层内部组织分布特征可有效控制缺陷产生。

为了减少气孔的产生，熔覆前应当彻底清除基材表面的氧化皮和油污;使用干燥的合金粉末;熔覆过程中应当对熔池采用保护措施(保护气);熔覆层厚度应尽可能减薄，以便熔池内气体逸出。

为减少夹杂在表层部分的低熔点成分(Fe901合金中的B、Si与其他元素形成的共晶偏聚集在晶界)，降低熔覆层开裂敏感性，可添加一定量能够与B、Si元素形成高熔点化合物的其他元素如Ti［10］等。

根据残余应力的形成机理可知，残余应力是一种不稳定的应力状态，借助于外界因素(热处理、施加静载或动载)可以有效调整和消除残余应力。由于激光熔覆的残余应力主要是由于激光快速熔凝所导致的快热、快冷引起的，因此调整和消除残余应力采用热处理方法更为有效。熔覆之前对基体进行预热处理，熔覆之后进行退火热处理，可以缓解局部受热不均匀性，使残余应力松弛，有效减少裂纹的产生。为了防止退火之后组织粗大，影响材料的性能，必须根据相图［11］制定合理的热处理工艺，把握好热处理的温度和时间。

3 结语

(1)在45#钢金属表面激光熔覆制备了Fe901合金粉末单道多层堆积熔覆层。成形体内部结构分为基体结合区、单层熔覆区、层间结合区、顶部区域四部分。

(2)基体结合区的显微组织以致密的平面晶为主，单层熔覆区内的显微组织以柱状晶和树枝晶体为主，层间结合区的显微组织发生一定程度的粗化，顶部区域的显微组织出现细小的等轴晶，同时覆层表层低熔点成分相对较多，成分不均匀性增加，熔覆层组织中会出现一些粗大的条状物夹杂，形成许多微观的组织缺陷。

(3)激光熔覆层缺陷主要有:气孔、裂纹、夹杂、显微缩孔等。通过分析这些缺陷产生的机理可知:激光熔覆层缺陷的产生与激光熔覆加工工艺及内部组织分布特征有关。

(4)通过优化激光熔覆工艺参数，借助外界因素调整激光熔覆层内部组织分布特征可以有效控制缺陷的产生。给出了控制缺陷产生的具体方法和手段。

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