熔覆层性能影响的主要因素分析

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：影响激光熔覆层性能的主要因素有：金属对激光吸收率；熔覆材料的特征、表面状态；稀释率；激光熔覆工艺等。一般认为其稀释率应小于10%，最好在5%左右，以保证高的表面熔覆层性能。气孔的存在容易成为裂纹萌生和扩展的聚集地，因此控制熔覆层内的气孔也将是防止熔覆层裂纹的重要措施之一。

影响激光熔覆层性能的主要因素有：金属对激光吸收率；熔覆材料的特征、表面状态；稀释率；激光熔覆工艺等。

（1）激光熔覆工艺激光熔覆工艺参数包括激光功率密度、光斑、扫描速度、送粉量等。

1）激光功率密度。功率密度是指单位光斑面积内的功率大小。不同功率密度的激光作用于材料是会引起材料物态的不同变化，从而影响材料对激光的吸收率。功率密度较低时，金属吸收激光能量只引起材料表层温度的升高，但维持固相不变。随着温度的升高，吸收率将缓慢增加。当激光功率密度在10⁴～10⁶W/cm²量级范围内时，材料表层将发生熔化，这就是激光熔覆所需的功率密度。如果金属在熔化前其表面为理想的镜面，则伴随金属的熔化，吸收率将会有明显的提高。但是，对于实际金属零件表面，或者固态金属是以粉末形式存在时，吸收率并不总是伴随熔化的提高，相反可以导致吸收率的降低。当激光功率密度达到10⁶W/cm²数量级时，材料表面在激光束的照射下强烈汽化并形成深熔小孔，金属对激光的吸收率急剧提高，可达90%以上。当激光功率密度超过10⁷W/cm²数量级时，将出现等离子体对激光的屏蔽现象。

2）光斑。激光熔覆要求光斑直径内的能量密度分布均匀，光斑边界的功率密度应尽可能突然地从均一值降为零，光斑形状应适合零件被加工面要求，以保证熔覆层厚度和性能的一致性。因此，激光熔覆一般采用匀光兼光束整形系统，将激光束变换成为合适的形状使功率密度分布均匀。光斑形状一般为圆形、矩形和带形。目前，已应用于激光加工的光束成型系统有聚集系统、聚焦扫描系统（包括振镜和旋转多棱镜）、波导镜和积分镜等。

激光熔覆常采用离焦光斑，通过改变离焦量，改变光斑面积和能量密度，但无法使光斑内的能量分布均匀化，光斑内的功率密度分布只能由激光光束模式而决定。目前大多数激光熔覆均采用多模形式。

3）扫描速度是工件基体表面相对于激光光斑的运动速度，一般以m/s为单位。在激光光斑功率密度和粉末材料输送量一定的情况下，扫描速度越高熔覆层稀释率降低，反之亦然。

4）送粉量。单位时间的送粉量与光斑功率密度紧密相关，通常根据不同涂层材料在试验中摸索获得。

（2）稀释率稀释率是评价激光熔覆层性能最重要指标之一，定量地描述为基体材料混入熔覆层而使熔覆层成分变化的程度，其表达式为

式中 ρ_P——合金粉末熔化时的密度；

ρ_S——基体材料的密度；

w（X_P）——合金粉末中元素X的质量分数；

w（X_P+S）——涂层搭接处元素X的质量分数；

w（X_S）——基体材料中元素X的质量分数。此外，稀释率还可以通过测量熔覆层横截面积的几何方法进行实际计算，表达式为

激光熔覆要求其稀释率尽可能的低。一般认为其稀释率应小于10%，最好在5%左右，以保证高的表面熔覆层性能。

（3）激光熔覆对粉末材料的要求激光熔覆合金粉末材料通常选用热喷涂系列粉末材料，包括合金粉末、自熔性合金材料、碳化物弥散复合材料、陶瓷材料等，其具体性能见第3章。

（4）熔覆层气孔与裂纹的防止激光熔覆层中的气孔是由于材料熔化过程中有气体存在，而且在快速凝固过程中来不及逸出表面所致。一般多是由于金属中的碳与氧反应或金属氧化物被碳还原所形成的反应气孔。但也存在固体物质的挥发和湿气蒸发等非反应性气孔。气孔的存在容易成为裂纹萌生和扩展的聚集地，因此控制熔覆层内的气孔也将是防止熔覆层裂纹的重要措施之一。气孔的控制主要从两个方面考虑：一是采取防范措施限制气体来源，如粉末在使用前烘干去湿、激光熔覆过程中采用惰性气体保护熔池；二是调整工艺参数，减缓熔池冷却结晶速度以利于气体的逸出。

激光熔覆过程中升温快，冷却速度高，熔覆层热应力大，裂纹敏感性强，易产生裂纹。抑制裂纹生成的主要方法如下：

1）采用预热和缓冷来减少裂纹生成的可能性和松弛应力。预热是将基体整体或表面加热到一定的温度，减少熔覆层与基体材料之间温度梯度，缓和热应力的目的；缓冷是防止熔覆层组织（如马氏体）相变而诱发的组织应力。

2）可设计阶梯熔覆层，在基体材料与表面熔覆层之间选用过渡熔覆层，过渡层性能介于基体材料和表面层材料之间，使熔覆层中应力呈阶梯分布，达到缓和应力减少裂纹产生的目的。

熔覆层性能影响的主要因素分析

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