激光熔覆层裂纹的产生和抑制措施

于海洋

一重集团天津重工有限公司

激光熔覆层裂纹是目前激光熔覆技术应用中较为常见的问题之一，虽然该技术融合了多学科知识内容，整体技术水平比较高，但是易受到较多因素影响而存在熔覆层稳定性差的问题，无法保障技术精度，从而产生裂纹缺陷。为持续扩大该技术的应用领域，改善技术缺陷，则应对产生裂纹的因素进行深入、细致分析，了解和掌握具体原因之后制定针对性的抑制措施，从而实现对熔覆层裂纹的有效控制，这对该技术的性能优化和应用发展有着重要意义。

一、激光熔覆层裂纹的产生

（一）裂纹的形成机理

激光熔覆过程会产生物理化学反应，具有急热急冷特点，通过快速加热和迅速冷却会产生应力拉伸，但由于熔覆层材料与基体之间的多种物理性能存在差异，所以在熔覆过程中产生较多残余应力，这类应力若超出熔覆层的可承受能力，则容易出现应力集中的情况，会在一些特殊位置出现开裂现象，熔覆层表面气孔、夹杂和微裂纹等都是产生裂纹问题的源头部位，开裂严重时还会导致熔覆层脱落，无法保障产品熔覆质量。

（二）熔覆层中的残余内应力

第一，热应力。激光熔覆过程中由于熔覆层材料与基体材料的热膨胀系数不同，在加热和冷却处理过程中每种材料的弹性变化、收缩膨胀速度和变形程度存在差异，导致熔覆层受到一定挤压，在此过程中产生的作用力为热应力。热应力会对晶界产生一定作用生成脆性化合物，这类化合物与熔覆层热膨胀系数不同，在差异过大和热应力超过材料屈服极限时就会导致晶界开裂[1]。热应力的大小与材料温差呈正比例关系，而且这一应力也会随着熔覆层热膨胀系数的变化而表现出不同类型的应力，在该系数超过基体热膨胀系数时会产生拉应力，若小于该系数则产生压应力，后者可减少熔覆层开裂。

第二，约束应力。激光熔覆层收缩过程中会产生温度梯度差，这就导致不同位置的温度不同，收缩程度不同，对于产生收缩的位置，熔覆层收缩时会对其造成挤压，产生的作用力为约束应力。激光熔覆时熔覆层材料中间部位材料散热速度要比四周慢一些，那么在收缩阶段就会受到四周的挤压，从而产生约束应力。或者熔覆材料加热熔化，部分材料也会出现膨胀变形情况，而后在冷却阶段该部位缩小变窄，熔覆层就会受到约束从而产生约束应力。一般情况下，熔覆层边界部位会产生较为集中的热应力，若超出该结构部位强度，则会导致表面出现裂纹现象。

第三，组织应力。熔覆层材料冷却凝固的过程中其物理性质会发生改变，液体凝固到冷却至常温过程中温度状态发生了改变，物相组织转变时产生的应力属于组织应力。由于熔覆层材料相变过程具有复杂特点，不同相之间体积温度、弹性模量、膨胀系数等变化存在较大差异，或者同一相中晶体的方向不同，上述系数也有所不同，所以会产生组织应力。通过研究发现，熔覆材料凝固阶段若出现异常情况，晶界存在低熔点共晶物液膜，那么在应力作用下很容易出现开裂情况，随着应力增加熔覆层裂纹也会逐渐扩大。一般会通过调整工艺参数的方式对激光熔覆过程中的组织应力进行控制。

（三）裂纹形成的影响因素

工艺参数设计是否合理会对激光熔覆技术的应用效果产生直接影响，涉及的参数内容比较多，如设备功率大小、扫描速率、预热温度、能量密度和线能量等。熔覆层裂纹发生率与激光设备的光斑直径、扫描速度和功率等密切相关，功率越大，裂纹产生的数量和概率也越大。不同材料应设置的工艺参数不同，若实际参数超出或者低于最佳参数，都会导致裂纹出现。同时，粉末的类型也是导致激光熔覆层裂纹产生的主要因素，通过研究不同粉末对裂纹产生的影响可以发现，每种粉末形成的熔覆层质量差异明显，选择与基体材料热膨胀系数更为接近的熔覆材料则可控制裂纹产生。

二、激光熔覆层裂纹的抑制措施

（一）优化工艺参数

第一，增加激光功率或减少送粉量。要想对激光熔覆层裂纹问题的产生进行抑制，则应根据基体材料性质特点对熔覆工艺参数进行合理调整，由于工艺参数类型较多，一般会分析对裂纹产生影响程度较大的工艺参数并对其进行适当调整，保证熔覆层加热冷却过程中吸收的能量合理。有研究学者发现，在不调整其他工艺参数的条件下，适当增加激光设备功率或者减少粉末用量，能够在一定程度上增大各部位接收的激光能量，可实现对开裂问题的有效控制[2]。熔覆层所吸收的能量增加后裂纹面积逐渐减小，但在超过熔池接收能量范围内后裂纹面积也会逐渐扩大，应降低熔覆池稀释率，控制热应力产生。

第二，降低能量密度和线能量。能量密度和线能量也是影响激光熔覆层裂纹产生的工艺参数，对这两项参数进行控制，适当降低参数值，则能够抑制裂纹的产生，控制裂纹的面积和大小。为保障熔覆层质量，与基体结构进行充分结合，应注意将上述参数调整到一定数值之上，不能出现数值过低的情况。同时，在确定激光熔覆能量密度和线能量的过程中也需要考虑到激光的扫描速度，送粉率等，综合分析后进行相应调整和优化。另外，搭接率对激光熔覆层质量的影响也比较大，该参数过大或者过小会导致熔覆层气孔、开裂或者表面凹陷，因此，应根据实际情况对这一数值进行合理选择，从而优化成型效果。

（二）合理设计熔覆层材料

第一，保证熔覆材料与基体材料相匹配。进行熔覆层材料选择和设计阶段需要充分考虑到基体材料的性质，选择各方面性能与其相匹配的材料，通常要重点考虑材料之间的比热容和热膨胀系数，应保障相关数值差异不大。对二者膨胀系数差异进行控制可以降低热应力的产生，实现对裂纹的有效抑制。在熔覆层热膨胀系数偏小时产生的热应力通过压应力体现，也会减少裂纹问题的发生率。由此可见，在设计熔覆层材料的过程中应从降低与基体材料这一系数之间的差异入手，尽可能减小二者的系数差。另外，还应控制比热容，若基体材料该指标较大则会在熔覆过程中吸收较多热量，在冷却过程中导致熔覆层温度梯度增加，从而导致表面裂纹产生，所以要保证二者比热容相近。

第二，增强熔覆层材料韧性和塑性。激光熔覆层技术应用过程中可在运用的材料粉末中加入合金元素，对熔覆层材料进行合金化处理，有利于增加相关材料的韧性，那么在对基体进行熔覆处理的过程中就可以降低裂纹问题的出现。比如可以在NiCrBSi 粉末中加入铁钒、铁钛、铁硅合金，能够增加所用熔覆材料的韧性，强化其抗裂性能[3]。NiCrBSi 激光熔覆层裂纹的发生率比较高，主要与其微观组织分布较为杂乱和内部韧性相关数量较少有关，而加入合金元素后可改变微观组织结构，熔覆层合金元素枝晶变粗，从而增加熔覆层整体韧性，避免裂缝出现。在熔覆层加入一些稀土元素和稀土氧化物，也能够调整所用材料组织结构实现细化处理，不但可以增强韧性也可以避免熔覆层出现硬脆现象，在抑制裂纹问题方面能够获得良好效果。

第三，材料热处理方法。控制熔覆前后的温度差能够减少热应力产生，降低应力作用导致的裂纹问题。那么在实际应用激光熔覆技术之前，应注重对基体材料进行预热处理，缩小与熔覆层的温度差。对于一些熔覆结束的产品可采用退火处理方式控制应力的产生，常见方式为激光重熔，在消除熔覆后残余应力方面起到了良好作用。具体操作过程中不会对产品结构造成破坏，无需进行拆卸处理，直接进行二次加热。有学者对用激光重熔处理后的产品和未处理产品的裂纹情况进行对比，可发现处理后的产品其熔覆层应力分布更加均匀，残余应力比较小，与未处理产品的熔覆层相比拉应力下降数值较为明显。而且通过二次加热处理后的熔覆层硬质相的分布也较为均匀，不易发生裂纹。但是预热处理也会降低基体熔覆层抵御外界影响的能力，实际进行预热处理或者熔覆后热处理的过程中也要结合产品实际情况进行合理的处理设计。

（三）熔覆层应力场的检测及控制

第一，了解应力场分布情况。熔覆层应力场对产品熔覆后表面裂纹的产生有着较大影响，该应力场的影响因素比较多，容易受到熔覆层性能、温度和基体材料韧性、强度、相变温度点以及前期热处理程度等方面的影响。在运用激光熔覆技术过程中要先对应力场进行检测，了解其分布情况，并从控制裂纹问题出现的角度出发进行调整和控制，可降低其对裂纹产生的影响。要测定熔覆层各个方向的残余应力和应力场，了解不同材料、不同工艺参数情况下的应力分布情况，以此为依据进行相应调整，将拉应力转变为压应力，以此降低裂纹产生。

第二，减小熔覆层拉应力。为实现对熔覆层拉应力的产生进行有效控制，可通过在此过程中加入电磁场的方式来调整应力，改变残余应力表现形式，将拉应力转变为压应力，以此抑制裂纹产生。部分学者还采用先熔覆一层过渡层的方式来减小拉应力，但从实验结果可知过渡层在减少残余应力方面的作用不明显。由于激光熔覆技术应用时会出现较多的化学现象和物理现象，所以进行熔覆层应力场的检测存在一定难度，部分学者为保证测定结果的准确性，采用有限元软件进行数值模拟的方式进行测定，能够获得准确结果，所以可以用这一测定方法为后续各项参数调整提供参考数据，实现对裂纹的合理控制[4]。

（四）采用多种辅助方法

第一，超声波振动场。对多种类型辅助场的应用研究发现，在熔覆过程中施加辅助场能够对熔池参数进行控制与调整，但不会与材料直接接触，避免了对熔覆层质量的影响。用振动场进行辅助熔覆的过程中，在振动作用下液体会向着一定方向流动，而且振动过程中产生的声音也会对液体流速产生不同程度的影响，辅助期间的机械效应较为明显，有利于熔池均匀传递热量与质量，还可以降低各部位的温度差，改善熔覆层微观组织结构，保障结构分布的均匀性，从而减少残余应力。超声波振动在调整熔覆层组织结构和枝晶状态方面能获得良好效果，在超声波振动幅度加大的过程中枝晶破碎，内部组成结构实现了进一步细化，增强了粉末的流动性，使熔覆层更加均匀。但是在实际运用超声场的过程中也不能出现振幅过大的情况，否则会影响熔覆层的表面质量，导致整体硬度下降。

第二，电磁辅助场。熔覆层成型阶段会出现温度梯度差，熔池表面温度高低对其表面张力有着直接影响，所以也会形成表面张力梯度，由于中心部位吸收的能量较多，会逐渐向外围流动。在Marangoni 效应作用和浮力作用下，熔池液体会产生压力差从而出现中心熔体上浮现象，促进了热量和质量传递。使用电磁辅助场可以向熔池中引入作用力改变熔体流速，削弱熔池中的压力差，还能对晶粒进行细化处理，从而减少应力产生。在熔池流速不断加快的过程中熔覆材料内部组织分布也更加均匀，所以能够控制热应力的产生，防止熔覆层出现开裂现象。

第三，其他辅助方法。部分学者对复合辅助场对激光熔覆层裂纹的抑制作用与单一辅助场进行了对比，实现耦合直流电场、交变磁场和超声场的联合辅助作业，观察熔覆层枝晶破碎情况，通过研究结果可知，复合辅助场比单一辅助场的晶体细化程度更好，熔覆层各类元素的分布更加均匀，控制熔覆层裂纹的效果良好[5]。还有一些学者通过在熔覆层中加入不锈钢网的方式控制了应力的产生，该过程充分发挥了不锈钢网的塑性性能和屈服性能，促进了熔覆层中残余应力的释放，降低了应力影响。

结语

综上所述，导致激光熔覆层裂纹产生的原因比较多，目前对于裂纹还缺乏相对完善、简单合理的控制与规避方法，实际进行抑制处理时主要根据激光熔覆技术特性，依靠经验对不同材料进行相应处理。今后发展中还应注重对熔覆层与基体之间作用机制的深入分析，结合具体情况对技术应用的工艺参数进行优化调整，改变熔覆层微观结构，同时也要对各种辅助手段进行探索研究，根据该技术的应用需求进行多种控制措施和辅助技术的合理选用，从多方面入手实现对熔覆层裂纹的有效控制，降低这类缺陷的发生率，以此推动激光熔覆技术在多领域的广泛应用。