温度场分布对Ni60A熔覆层组织的影响*

夏祯航，李 涛，詹 欢，张洪潮

（1.大连理工大学辽宁机械工程学院，辽宁大连 116081；2.大连理工大学重大装备设计研究所，辽宁大连 116081；3.德克萨斯理工大学工业工程系，美国德州 TX76001）

0 引言

随着增材制造和表面改性技术的不断发展和提高，激光熔覆技术在大型机械零件的破损修复和表面强化上的应用表现出了优势，同样由于其开裂率高等问题，激光熔覆在工业中尚未得到广泛应用。这是由于熔覆过程是一个多学科领域融合的复杂工艺，其涉及到不同材料间在不同工况下冶金结合，应用到不同的环境中，使得熔覆工艺参数的组合与优化工作变得复杂且适用性较差。工艺参数中激光功率、送粉量、激光扫描速度等参数相互影响，共同决定熔覆层质量和性能[1]。因此提高熔覆层断裂强度成了激光熔覆技术发展中亟待解决的事情。

熔覆层断裂强度主要取决于熔覆层的金相分布和缺陷情况，通过观察结晶的微观组织，如晶相成分、晶相分布状况、晶粒大小等可以得到熔覆层组织影响断裂强度的规律，本文从不同工艺参数出发讨论其对微观组织影响。在熔覆层裂纹性质、裂纹产生情况方面，国内外学者都有了广泛研究[2]，这主要是因为其中涉及了材料学、统计热力学、金属凝固学等不同学科的交织。董刚等[3]通过实验得出了不同镍基粉末熔覆对其涂层金相组织和熔覆层硬度变化的规律。Gäumann[4]建立了凝固过程中柱状晶向等轴晶转变的解析模型，该模型提供了温度梯度、凝固速度以及等轴晶所占体积分数之间的关系。吴亚云[5]分析了Ni60A的显微组织中各相的力学性能，为控制显微组织提供了方向。

为了判断不同工艺参数对显微组织的影响，本文首先通过ABAQUS仿真获取不同工艺参数下的温度场情况，再由温度场情况分析晶相生长情况分布。然后通过实验获取镍基熔覆层在不同工艺参数下的稀释率变化情况，获得对应参数下熔覆层结晶晶相成分占比，从而讨论其对断裂强度的影响。

1 实验程序与设备

本实验采用同轴送粉式激光熔覆系统，主要包括LDF 4000-100半导体激光器以输出连续激光，激光束波长范围为900~1 070 nm。PrecitecYC52同轴激光熔覆头，最高可输出6 kW的高能激光束，粉末焦点直径为2 mm。RC-PF-01B-2双料仓负压气载送粉系统，以氩气作为送粉气体，送粉量相对误差小于1%，以及MCWL-150T-01AK1S4精密水冷机等。

基体材料为45钢，基体形貌为50 mm×40 mm×8 mm的长方体；熔覆层材料为Ni60自熔性合金粉末，其合金粉末的化学成分如表1所示。实验参数如表2所示，共18组单因素实验，每组工艺参数进行3次实验，避免偶然因素对实验结果的影响，实验采用OM显微镜观察微观组织。

表1 Ni60A合金粉末的化学成分

表2 Ni60A激光熔覆实验参数范围

2 实验结果与分析

2.1 温度场影响晶粒生长

2.1.1 温度场仿真与特征值获取

基于ABAQUS软件建模仿真，热源通过DFLUX体热源的FORTRAN的子程序引入，网格为80µm长的正方体，假设材料各向同性、忽略熔池对流现象。为获取不同线能量对熔池温度场特征参数的影响，设计两组仿真参数，激光功率1 200 W，送粉量0.125 g·s-1，第1组与第2组扫描速度分别为3 mm/s、6 mm/s，对每组获取其熔池中心温度场分布情况，获取其不同深度处温度特征，两组不同深度节点的温度值如图1所示。由图可知第1组、第2组熔覆层表面最高温度分别为2 070℃、1 980℃。第1组工艺的熔覆层表面及560µm深度处Ni60A自溶合金粉末处于熔融状态时间分别为0.593 s和0.205 s，而第2组的熔覆层表面和560µm深度处Ni60A自溶合金粉末处于熔融状态的时间为0.342 s和0.048 s。可知，在低扫描速度时的高线能量输入下情况下，熔池的最高温度和平均温度均都略有提升，并且第2组同深度处的节点保温时间较第1组稍短，同时这两组的同节点保温时间差随着熔覆层深度的提高而越来越大。

图1 不同深度熔池的温度变化曲线

在同一送粉量下，这会表现为第1组高线能量下的熔池更大，基体的熔深加大，熔池内由于高能量激光束的冲击而导致的强对流换热更明显。这种明显的熔池液体强对流传热会使熔覆粉末更充分溶解，但也会加剧熔池内晶胞的非平衡结晶。同时，由于固液相混合存在区较短的凝固时间，晶胞没有充足的时间去沿某一轴向二次枝晶就被快速凝固成型，这表现为第2组的微观组织较为细小，无粗大的等轴晶或柱状晶。

现通过两组温度场变化曲线进一步提取两组温度场特征值，定义凝固方向和扫描方向的夹角为倾向角，凝固界面温度梯度可根据材料固相线和液相线之间的温度梯度计算得到，凝固速度是由液相转变为固相的时间决定，两组的温度场特征值如图2所示。

图2 熔覆层不同深度处的特征值

对比图2的两组曲线可以发现，线能量的增加会使熔池的熔深增加，导致了倾向角的减小，倾向角决定了熔池池底不同位置晶枝的生长方向，同时线能量的增加也会降低熔池固液界面的温度梯度，使熔池结晶时间变长、晶体平均尺寸变大。相同线能量情况下凝固速度随线能量的增加而减小，深度越大凝固速度越慢，熔池顶部最大，凝固速度过大会导致结晶不均匀、表面缺陷增多。不同深度处温度梯度和凝固速度的关系如图3所示。

图3 不同深度处温度梯度和凝固速度的关系

由于多晶凝固的复杂性，为确定多晶凝固下柱状晶的分布情况，在短的凝固速度范围内可以假设柱状树枝晶向等轴树枝晶转变条件为直线[4]：

式中：G为温度梯度；R为凝固速度；经过实验测量判断取k=5×108适当，其为图3中倾斜虚线，代表在此条件下开始出现部分柱状晶转变等轴晶（Columnar to equiaxed transition，CET）。

2.1.2 实验结果分析

从图3中可以看出，在这两组工艺参数下，只有熔池底部会产生少量的柱状晶，并且在线能量较高的情况下，会促进柱状树枝晶的生长[6]，提高其在熔覆层中占有比例，如图4（a）所示。随着距离熔覆层底部距离的增加，树枝晶单向生长能力逐渐降低，变为短小的单向树枝晶（图5）。

图4 两组实验的底部微观组织

晶体的凝固方向为与温度梯度相反，与仿真所得的倾向角变化规律相同，如图5（b）所示。在横截面上，从熔覆层底部到顶部树枝晶生长方向也从[001]逐渐变为[100]，最终在熔覆层顶部变为少量的等轴晶和短小的树枝晶，如图5（a）所示。在非平衡结晶下[7]，熔覆层的结晶不仅与材料形核有关，还会受到液体对流的影响，它使正在结晶的柱状晶前端过冷度不足以支持继续结晶，直到液体流动层沿流动方向凝固后，熔池才能在其上继续柱状晶的生长，如图4（b）所示，箭头方向为液体流动方向。

图5 激光功率1 800 W不同深度处的熔覆层组织横截面

柱状晶组织间邻接致密，结晶时致使硬质相均匀分散的析出，提高局部韧性，但横向性能较差。因此在单层熔覆下为了在激光熔覆中获得较好的表面性能，需要保证熔覆层顶部是细小均匀的等轴晶粒，避免柱状晶生长到熔覆层顶部，故要降低顶部温度梯度，控制扫描速度。在多层熔覆下，需调整工艺参数保障晶体连贯性生长，使熔覆件不同深度的性能一致，避免断层开裂。

2.2 稀释率影响晶相成分

Ni60A的显微组织由白色树枝状固溶体和黑色晶间共晶硬质相组成，如图5所示。其中树枝状固溶体结晶成分为γ（Ni）固溶体、少量的Cr、Si元素及大量Fe元素，是良好的韧性相，由于熔覆层底部G/R值较高且结晶时在初生硬质相后析出，故主要在熔覆层底部生长，在熔覆层顶部表现为短小树枝晶。而晶间硬质相成分为Fe、Ni、Cr的碳化物和硼化物[8]，表现为硬度高、韧性差的特点[9]。

熔覆层稀释率为熔融基体面积与熔覆层截面面积比。对于45钢基体来说，熔覆的稀释率越大，溶解在熔池中的铁元素越多，与之形成的FeNi3化合物是增韧相，还可防止硼化铬和碳化物的析出，提高熔覆层的断裂强度。为此通过实验确定工艺参数对稀释率的影响来调节熔覆层组织、提高熔覆层断裂强度是有必要的，取部分实验结果如图6所示，其中能质比即单位质量粉末所得到的能量。

图6 工艺参数对稀释率的影响

相同扫描速度（6 mm/s）情况下，激光功率和送粉量不断变化即能质比不断变化时，稀释率随能质比的增加而增加。在能质比较低时，激光能量大部分都被基体上面的涂层粉末吸收，导致熔覆层稀释率很小，几乎为零，此时熔覆层与基体的冶金结合不充分，极易发生熔覆层脱离，在工件的工作中表现为工件表皮的剥落现象。随后随着能质比的增加，熔覆层稀释率急剧增加，但在稀释率15%之前此工艺参数都不适宜应用实践，因为较低的稀释率不足以提供良好的底部韧性，易发生分层开裂现象。

当粉末得到满足自身融化的能量后，稀释率增长趋势由陡变缓。在相同工艺参数下，增大扫描速度，能量更难通过粉末传入基体，使基体熔融区变小，致稀释率略有降低。在相同工艺参数下增加送粉量后，更多粉末会平分能量，致使基体熔融区变小、熔覆层面积增大，故A点（0.276 g·s-1）较B点（0.167 g·s-1）稀释率下降且偏离稀释率变化曲线。同样过少量的粉末会降低熔覆层高度从而提高稀释率，如C点所示（0.086 g·s-1），但低粉末量情况下仍符合曲线规律。

第1组较高的线能量致使其比第2组的稀释率高，通过等时间王水腐蚀可以看出黑色被腐蚀得韧性相明显增多（图4），研究表明其表面硬度也略有下降[3]。同时Fe基相的析出主要集中在熔覆层底部（图4（c）），较高的稀释率促进γ（Ni）奥氏体的形核生长，体积分数增加，使熔覆层底部结构紧密、韧性增强，降低熔覆层分层开裂可能性[10-11]，提高熔覆层与基体的性能一致性。韧性的增多会影响强度模型中硬沉淀物大小，呈反比例减小趋势，从而影响断裂强度[12]。此时适当减少送粉量会起到同样的良好效果，以避免熔覆层顶部过多的硬质相析出致敏感性增强。

3 结束语

（1）通过两组不同线能量下的激光熔覆温度场仿真结果，本文得到了温度梯度、凝固速度、倾向角和熔覆层深度的关系，在适当的工艺参数内简化了基于Ni60A材料的CET转化曲线，并根据G/R关系分析了柱状树枝晶在高比值下才会在熔覆层底部少量生长的情况，以及由于非静态结晶和硬质相沉积的影响导致枝晶生长中断的情况。

（2）由于熔覆层表面需要等轴树枝晶满足表面性能要求，在单层熔覆下加工中要避免较高的扫描速度，防止树枝晶生长到熔覆层顶部导致的表面硬度变差及性能方向性情况，提高熔覆层的断裂强度。

（3）本文通过实验得到了质能比对稀释率的影响是逐渐增大的，且从陡趋缓，过量的送粉量会降低稀释率，提高扫描速度也会略降低熔覆的稀释率。通过观察显微组织，稀释率对熔覆层韧性相体积分数的增大的影响是明显的，也促进了柱状晶的增长，提高了熔覆层与基体间断裂强度。