激光熔覆钴基合金的光学检测实验研究

2021-07-30雍耀维赵瑞恒陈殿炳邓琦林

宁夏工程技术 2021年2期

雍耀维，赵瑞恒，张帅，陈殿炳，邓琦林

（1.宁夏大学机械工程学院，宁夏银川 750021；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

《中国制造2025》提出“大力发展再制造产业，实施高端再制造、智能再制造、在役再制造，推进产品认定，促进再制造产业持续健康发展”[1]。通过再制造技术可以对废旧产品进行专业化修复或升级改造，使其质量特性达到或优于原有新品。在诸多的再制造技术中，激光熔覆技术是典型的被逐渐广泛采用的技术。激光熔覆是利用高能激光束在需要修复或者增强改进的金属表面生成符合要求的特殊性能的涂层技术。该技术利用高能激光束将涂覆材料全部熔化、与之接触的基体材料熔化部分形成尺寸很小的熔池，最终以极小的稀释率在涂覆材料和基体之间形成良好的结合。

熔覆的过程是一个极其复杂的过程，熔覆层质量取决于多种因素[2]，包括激光参数和工艺参数。激光参数如激光器种类，是气体激光还是半导体激光。工艺参数有激光功率、粉末厚度、扫描速度等[2]。熔覆层的最终组织以及组织性能很大程度受限于熔覆的工艺参数。例如，有研究发现扫描速度对硬度的影响大于送粉量的影响[3]。还有研究发现，随激光功率降低或扫描速率增加会导致TiC 增强Co 基合金熔覆层中的枝晶含量；枝晶间距增大，也使增强相TiC 含量显著增加，尺寸变小，分布更均匀；在实验参数范围内，随激光功率降低或扫描速率增加，熔覆层表层硬度增加，最高硬度为1 246.6 HV0.2，相对基体提升接近5 倍[4]。材料不同时，工艺参数同样很重要。在7075 铝合金表面制备Ti/TiBCN 复合涂层时，激光功率为1 000 W，扫描速度为3 mm/s，送粉率300 mg/min 时，复合涂层质量最好[5]。不同材料也会影响熔覆层的质量，例如在较难激光加工的青铜表面激光熔覆镍基625 材料，激光功率比铝合金的要大，取2 000 W。扫描速度为550 mm/s 时，可在青铜表面获得熔覆质量较高的625 合金涂层[6]。

而在实际生产中，激光熔覆层的成形不均匀、微观裂纹、变形等诸多问题约束了激光熔覆在高精度方向的发展。目前市场以操作人员的经验为主，无法形成科学的、可传递的系统的工艺方案。熔覆中熔池几何特征参数能够直接描述激光熔覆工艺过程的粉末吸收量、熔池内部能量分布及冷却速度，从而影响熔覆层几何尺寸、微观组织[7]和力学性能，所以对熔覆中熔池的直观表达就显得很重要。针对熔池，Song B 等[8]建立了激光输入与熔池成型之间的物理模型，发现熔池的建立时间非常短暂而且是一个瞬态；Qi Y 等[9]通过搭建测试平台实现对LENS 过程的监测控制，保证LENS 过程的稳定；刘旭阳等[10]为了研究激光熔覆过程中熔池的形状和尺寸信息，采用与激光头同轴集成的CMOS 相机对熔池进行拍摄，借助LabVIEW 视觉模块的图像采集和图像处理功能，自主开发了一套激光熔覆熔池图像实时处理系统。本文针对Co 基合金的熔覆，搭建测试平台对熔覆过程中的熔池信息进行采集和监测，通过OpenCV 进行边界提取测量，分析不同工艺参数下熔池的变化特征，为提高熔覆质量打下基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料和实验参数

基体材料为45 钢，实验前，将工件表面清洁除锈；粉末材料为Co 基合金，主要化学成分w（C）=0.6%～0.8%，w（Si）=2.0%～2.5%，w（B）=1.7%，w（Cr）=29%，w（Fe）=8%～10%，w（Ni）=13.5%，余量为Co。实验时采用半导体激光器，聚焦距离约为330 mm，见图1。实验中，所有的熔覆采用单向熔覆。实验具体运行参数见表1。熔覆实验结束后，利用线切割对其横截面进行剖切，然后经过镶样、粗磨、抛光等标准抛样程序后，利用5%硝酸酒精对其腐蚀，检验熔覆界面形貌。稀释率根据下式定义：

表1 预置粉末实验工艺参数设计

图1 熔覆中光斑的扫描方向

式中，Di 为稀释率，%；H 为熔覆层最大高度，mm（图2）；h 为熔覆层的稀释深度，mm。由于h 在一个截面中会有所变化，所以每样从左到右，取5 个点进行测试，然后计算其均值即为最终的稀释深度。

图2 激光熔覆层典型尺寸

1.2 光学检测硬件系统

激光熔覆实验检测系统主要由激光器、机械手臂、图像采集装置和图像处理系统等组成。实验设备中激光熔覆系统见图3。摄像头帧数为60 帧/s，分辨率640×480。镜头和熔池保持较远距离，焦距为60 mm 左右，通过镜头光圈调节适宜的进光量，并利用2 块透光率为2%的衰减片改善成像，经过不断优化调整熔池图像采集装置的各项参数，以便得到较为清晰的图像，再进行相应的图像处理操作。实验过程中处理前的熔池图像见图4a。处理后获取的图像边界见图4b。通过编程处理后，将获得的熔池特征参数如熔池面积、宽度和长度及时保存并绘图。图5 中椭圆处为不同参数下的熔池面积。

图3 激光熔覆视觉监测系统

图4 熔池图像

图5 不同预置粉末厚度下通过采集系统得到的熔池面积

2 结果与分析

2.1 激光功率影响分析

扫描速度为80 mm/min，预置粉末厚度为1 mm时，激光熔池面积、稀释率和热影响区（HAZ）随激光功率变化的趋势见图6。在实际熔覆过程中发现，随着激光功率的升高，熔覆过程的飞溅现象减缓，而且获得的表面也非常光滑。熔覆Co 基粉末时，熔池的几何参数随激光功率的升高而变大，见图6。熔覆稀释率随着激光功率的升高没有呈现与熔池变化规律类似的趋势，而是从较低功率升到中间功率范围时，稀释率稍有增加，仅约0.1%；功率继续上升的时候，稀释率快速增加，增加1%左右。热影响区深度总体呈升高趋势。

图6 不同功率下激光熔池面积、稀释率和HAZ 变化

随着激光功率的增加，基体预置的粉末吸收到的能量增加。由于两侧散热体积大，所以相对热梯度大，热量向着垂直于进给方向的两侧传递，使熔化区域宽度增加，熔池面积也不断扩展变大。由于激光功率与比能量（单位面积的辐照能量）成正比例关系，功率的增大使更多的热量传递到熔池下的基体，熔池的搅拌和对流作用加强，进而使稀释增加，最终影响重熔后涂层的微观组织和性能。材料对激光吸收率很低，当功率增加后，被粉末所吸收的变化量却很小，随着熔覆继续进行，热量积累，温度上升，传递到基体的热量略有增加，使得HAZ 和稀释率少量增加。激光功率增加到1 800 W 时，能量主要用于熔化粉末，同时传递至基体，但热量不足以熔化基体，所以HAZ 增加明显但稀释率几乎不变。随着激光功率进一步提高，材料温度升高，激光的吸收率也增加[11]。能量除了熔化粉末之外，更多能量输入到基体，使稀释率明显增加，所以在保证熔覆质量和熔覆效率的前提下，功率选择1 800 W 为佳。

2.2 扫描速度对熔池和熔覆层的影响

输入功率为1 800 W，预置粉末厚度为1 mm时，激光熔池面积、稀释率和热影响区（HAZ）在不同扫描速度下的变化见图7。在实际熔覆中，速度从40 mm/min 增加到120 mm/min，熔覆过程逐渐变得稳定，飞溅减弱。由图7 可知，熔池面积在低速时最大，可达33.05 mm2。当速度为80 mm/min 时，熔池面积急速减小，若速度进一步增加，则其数值接近光斑的面积。随着扫描速度的增加，单位时间内单位体积的材料获得的输入能量降低，所以被吸收熔化形成熔池的面积也随之减小。同时，结合实际熔覆过程中熔池波动情况看，40 mm/min 时，波动比较强烈，而120 mm/min 时波动比较平稳。这主要是因为在较低的扫描速度下，激光的能量输入太高，致使温度过高且超过材料的汽化点，导致涂层材料中的杂质、等离子体等飞离熔池，熔池内金属溶液飞溅、漂浮在熔池上表面。在对流作用下，金属溶液留在熔池的边缘处，呈现高亮度，一同被检测元件计入到熔池面积内，所以低速时在监测系统中检测到的数值会略大，而到达中高速时熔池面积则变化较缓。不同的扫描速度意味着不同的能量输入。高速扫描时，在一个区域内驻留时间变短，能量输入相对减弱，熔池的温度提升减缓，使熔池变小，熔覆区域同样减小；而扫描速度减缓，更多的热能输入到基体的内部，热影响区（HAZ）增大，同时使稀释率也有明显增加。随着扫描速度的增大，在一个区域驻留的时间相对较短，因而热量不能大量积聚，熔池温度比低速时降低，传递到基体更深处的热量减小，所以HAZ 深度和稀释率都较低。

图7 不同扫描速度下激光熔池面积、稀释率和HAZ 变化

2.3 粉末厚度对熔池和熔覆层的影响

输入功率为1 800 W，扫描速度为80 mm/min时，激光熔池面积、稀释率和热影响区（HAZ）随预置粉末厚度变化的趋势图见图8。

图8 不同铺粉厚度下激光熔池面积、稀释率和HAZ 变化

由图8 可知，当预置粉末厚度增加后，所形成熔池面积增加，而HAZ 的深度则随着预置粉末的增加先增加后降低。检测到的熔池面积随着粉末厚度增加而变大，当厚度为0.5 mm，熔池面积为27.97 mm2；粉末厚度为1 mm 时，熔池面积稍有增加，为28.17 mm2；但当粉末厚度继续增加到1.5 mm 时，熔池面积快速上升到29.93 mm2。随着粉末厚度的增加，吸收热量的颗粒数目也相应增加。在同样的吸收率下，激光束辐照在粉末颗粒上，总体热量累积增加，熔池中心温度也随着增大，进而温度的升高使熔池面积增大。同时，随着粉末厚度的增加，其熔覆层的热影响区HAZ 呈现出先增加后降低的趋势，而稀释率则随着粉末厚度的增加明显下降。

结合HAZ 和稀释率结果分析，在粉末厚度较小时，激光输入被粉末吸收后，除了用于熔化粉末形成熔池，很大一部分能量传递到基体材料上，使基体材料也被直接熔化，导致稀释率很大。随着粉末厚度增加，传递至基体的能量不能促使更多的基体材料熔化，所以更多热量传递至基体深处，稀释率随之降低，但热影响区深度增加。当粉末厚度增加到1.5 mm时，输入能量首先加热粉末的上表面，上表面熔化形成熔池，然后逐渐熔化形成更大的熔池，到达基体结合面，形成冶金结合的熔覆层。传入基体的热量是决定热影响区深度的主要因素，预置粉末层越厚，熔化粉末形成熔池需要的热量就越大，传递到基体的热量就会减小，因此热影响区深度就越来越浅，相应的稀释率也会降低。