激光扫描速度对激光熔覆宏观质量的影响规律.pdf

激光扫描速度对激光熔覆宏观质量的影响规律哈永滨工业大学徐庆鸿郭伟田锡唐文摘在已定激光器的条件下,激光熔覆唯一可变的工 艺参数为扫描速度。扫描速度的变化意味着试件热输入量的不同,激光与涂层相互作用的 时间不 同,单位面积的热输入量不相同,从而使得熔覆后熔覆质量也相差很大。通过改变激光扫描速度,系统地研究了熔覆道形状,表面不平度、表面裂纹,气孔率和稀释率的 变化规律,为合理选择激光熔覆工艺参数提供了理论基础。主题词激光熔覆扫描速度质量控制引言评价激光熔覆质量 的好环,主要应考虑两方面内容。一是宏观上,考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上,考察是否形成良好 的组织,能否提供所要求的性能,如耐磨、耐蚀等。除此之外,还应用微区成分分析方法测定表面改性层化学元素的种 类及分布,特 别要注意分析过渡层的情况以判定是否 为冶金结合,必要 时进行质量寿命检测。这里主要研究涂层为镍基合金,厚度 为0.3一 0.sm m,激光 功 率 为1500W 单道 熔覆时,扫描 速度与激光熔覆宏观质量 的关系。H一一熔覆道高W熔覆道宽0一一琳容覆层边界角图1激 光单道熔覆熔层形状示意图2扫描速度与激光熔覆宏观质量的关系2.1熔覆 层的宏观形貌2.1.1熔覆道 形状如图1所示,单道激光熔覆 时,熔覆道的形状主要取决于熔覆层 的高度、宽度以及这两者所决定的熔覆层边界角。利用几何原理的知识可以得到边界角e与高宽比H/W的函数关系式:sino一(H/w)(H/w)2+0.25该式的物理意义在于:e角是H/W的单一函数,可以利用O角作为熔层的形状因子来衡量熔层的外观形状。由实验结果可知,熔覆层 的高宽比和边界角随激光扫描速度的变化规律如图2和图3所不。在一般 情况 下,口角介于9 0。一1 80泛间,并随着H/W的增大而 相 应减小,所以航天工艺199 7年第4期、_ _ _随着扫描速度 的变化,激光单道熔覆时的表面不平度随之变化,利用表面粗糙度测试仪测量了垂直于激光扫描方向上 的表面不平度 情况、测得的表面不平度随扫描速度的变化情况如图4所示。八卜了厂n户勺弓、J、奋nn UOUUC U们莽一工0.20.30.40.50.60.70.8扫描速度(m/min)图2高宽比曲线/厂/尸洲 /了了了了/0.0 50.0 40.030.020.010一0.01一0.02一00 3才才才才、/入入入入/z z z尸尸扩扩扩、闪闪闪闪闪闪闪伙伙目n 们611口1.0.20.30.40.50.60.70.8扫描速度(m/min)图4表面 不平度变化曲线On4内j11.,1.由图中可 知、实际上,金属表面的最终粗糙度取决于熔 池表面的张力大小和熔池后端起伏的高度,当激光功率 密度较高时,减慢扫描速度,可使合金熔池的表面积增大,这将减弱其径 向表面张力梯度 的作用,但这又会促使熔池后端的凸出形成;因此.在 扫描速度与表面粗糙度的关系间存在极大值。2.2表面裂纹在激光作用层 内存在大 的热应力和开裂倾向是激光熔覆的主要缺点,特别是在熔覆层和基体交界 处的开裂,常导致表面改性层剥落。这是目前该技术工业化 的主要障碍之一。熔层内的裂纹的产生情况取决于熔覆层材料、基体材料及激光熔覆工艺参数。激光熔覆一个 固有的特点即快速加热、快速冷却,不可避免地在熔层 内产生较大 的热应力,熔层 内应力集中区域在较大 的拉应力 的作用 下产生裂纹是激光熔覆裂纹开裂的主要机理。激光熔覆 时的表面裂 纹随扫描速度的变化规律如图5所示。结果 发现,在 较小 的热能量 输人 的情况nn凡艺1.1.已口.孟0.2030.40.50.60.70.8扫描速度(m/min)图3边界角O曲线O角表 现了熔层材料、激光工艺参数等因素对熔层形状影 响 的综合反 映。此外熔层边界角e作为熔层外观质量判定 指标的另 一意义在于,对于实际生产 中多道搭接激光熔覆时,O角直接 影 响着熔覆 层 质 量。W.M.S te en研 究 表明:多道搭接激光熔覆中,边界角O必须大于1 20。,应控制在1 50。以内,否 则会产生运行孔洞”,并引起搭接区裂纹。2.1.2表面不平度激光熔覆 处理后、工件 的表面常有凹凸不平 的现象、分析引起表面粗糙不平 的主要原因是:在激光作用下,合金熔池表面存在大 的径向表 面张力梯度。该表面张力梯度,具有双重效应,它不仅引起了高温下合金元 素的快速混合、而且导致其凝固表面 的凹凸不平,所以必须进 行后 续处理,来降低粗糙度。航天工艺19 97年第4期下,仍然有裂纹产生、主要是合金 中S i。加人较高含量的B、S i、一方面降低了熔覆层材l412/盯盯盯盯盯盯盯盯厂厂厂厂厂厂厂厂/入入入入入区区区区/.夕夕夕夕弓弓弓弓弓弓弓弓日班。绷端碳0.20.30.4050.60.708扫描速度(m/min)图5表面裂纹曲线料 的熔点,另一方面作为脱氧剂还原金属氧化物生成了低熔点的硼硅酸盐,起脱氧造 渣作用,而激光熔池寿命短,使低熔点 的硼硅酸盐根本来不及 浮到熔池表面而残 留在 熔覆层 内,冷却中形成液态薄膜,加剧熔覆层 的开裂。在大 的热 能量输人 情况下.裂纹 的产生比较 明显,而且往往横贯整个熔覆道。其主要原 因是由于在大 热能量 输人 时,在熔覆层 充分熔 化时,基体的热能量输人也非常大,冷却后基体产生较大的变形。使得熔覆层受基体变形所产生的拉应力很大,达 到熔覆层材料的抗拉伸强度而产生裂纹。在激光熔覆中,可以通过两方面来减少熔覆层 裂 纹的产生:一方 面,在选择 熔覆材料时,应尽可能地选择膨胀 系数与基体相近的材料,减少在受热融化与冷却凝固过程中,熔覆层与基体之间的变形差异,达到减少裂纹的目的;另 一方面,在为了保证 熔覆层要求的表面性能,而预置金属涂层的厚度和材料选择受到限制时,基 体的热能输人量是影 响熔覆层裂纹产生 的主要因素。基体的能量输人越大,冷却后基体产生 的变 形就越大,使得熔覆层受基体变形所产生 的拉伸应力就越大,达到熔覆材料的抗 拉伸强度时,产生裂纹。因此,在保证熔覆层与基 体之间 形成良好的 冶金结合的前 提下,应尽量减小基体 的能量输入,以减小基体变形和产生裂纹的可能性、同时也可以保证熔覆层材料受基体成分污 染小。2.3表面气孔由于激光加热 是一个快速加热、冷却的过程,熔覆粉末 中的某些元素在高温时会发生氧化而产 生气体,如果 在熔融状态 时来不及逸出、便留在熔覆层 中成为气孔,因此激光熔覆中气孔的存在与激光加热熔池寿命长 短、体积大小有着直接 的关系。液 态熔 池寿命长、体积大可以使熔池 内搅拌充分,气体有足够长 的时间浮 出熔池。减少气孔的产生。在多层或搭接熔覆时也有可能在搭接根部熔 化不充分而构成空洞。实验表明:在单道激光熔覆 中,熔覆后熔层表面 的气孔 随激光扫描 速度的减少而减少,其分布变化规律如图6所示。当激光 扫描速度达到0.33m/min时.气孔已经消失。l4l2/尸尸犷犷犷犷/内八6d.,O 仍彩韶丫0.20.30.40.50.60.70.8扫描速度(m/min)图6表面气孔数曲线2.4稀释率激光熔覆的目的在于提高工 件表 面 的耐磨、耐蚀、耐热及其它特性。而稀释率直接影响涂层 内的使用性能,因此,稀释率是衡量激光熔覆质量一个很重要 的指标。按照试验 的实际情况,并考虑到计算的方便采用了如下 的计算式:航天工艺199 7年第4期稀释率七基体熔化截面积/(熔覆层截面积+基体熔化截面积)一般认为稀释率应 小于1 0%,最好在5%左右,以保证获得高性能的涂层表面。过大过小对熔覆质量都是不利的。这是因为当稀释率较小时、基体的熔化不足,使得涂层与基体的结合性能降低,导致在 使用 过程 中,涂 层 的崩裂、剥落而失效;当稀释率较大 时,则会导致一定程度 的合金化,而会使涂层因基体混人形成严重 的成分污 染,使得其性能降低甚至 丧失。因此,合适 的稀释率才能保证涂 层 的性育旨。实验表明:熔层的稀释率随激光扫描速度的减 小而减少,其变化规律 如图7所示。当激光 扫描 速度 达到0.6m/mi n时,基体表 面不发生熔化,这是因为随着扫描 速度的增加、激光光束与试件 表面 的作用 时间变短,从而减少了单位面积内的热能输人 量,使得熔深减小。在扫描 速度 过大的情况下,熔深过小、会 导致基材 表面不发生熔化,熔覆层与基材之间形成不了冶金结合,不能保证激光熔覆 的结合强度;在扫描速度过小 时,使得基材表 面 的熔 深过大、导致稀释率过大、熔覆层的成分受基材成分严重污染,降低了熔覆层的使用价值,因此激光熔覆工艺 中,一般要求,在保证熔覆层与基体之间形成良好的冶金结合的前提下,尽量减小激光熔池的熔深,这就意 味着稀释率的降低.熔覆层 的成分所受 的污染小。3结论3.1对于涂 层 为镍基合金,厚度 为0.3 一0.4mm、激光功率为150OW的单道激光熔覆,在 扫描速度为0.3一0.4m/mi n时.可获得平滑 的熔覆表面与熔池形状,结合区光滑平整,边界角处 于1 20与14 0这间。3.2激光熔覆 对其激光热能输入 的大小有严格 的要求。过小基体与熔覆层之间产生不了冶金结合,达不到熔覆的目的;过大会导致较大程度上的合金 化。产生的大稀释率会污 染熔覆层成分,损害熔覆层性能。气孔、熔层稀释率随 扫 描 速 度 的 增加而减少,速度 达到0.4m/m i n以上,稀释率超出了激光熔覆标准的要 求;熔覆道表面宏观裂纹 数与速度之间存在极 大值。3 53 05八曰气乙,l510入入入入入入入入从从从从、%赞准胆哩鲤0.30.40.50.60.70.8扫描速度(m/r mn)图7稀释率曲线参考文献l阎毓禾等.高功率激 光加工及其应用.机械工业出版社,19922冯志刚等.激光熔覆层 质量控制研 究.激光 杂 志,1995,16(3):1183LiuCA,HumPriesMJ.Ef f eetsof Pr o e es sParte rso nLaserSurf ac eMod if ie ation.IC ALEO1983 3 8:1084ZengX ianyan.T heDe v eloPr nentofLa se rSurf aeeTr e atme ntinCH INA,He atTre ating1991,3:5235Ma sa oK ikuehi.Theinf lu en eeofLa s e rHeatTre atme ntTe ehniqu eo nMe ehaie alProPe rties.Mate rialScien c ea ndEngin e ering1983,6 2:1106CaPPML,Rigsbe eJM.La serPro e e s singofPla sma一SPra yedCo atings.Mate rialSeie n e eandEngine e ring198462:497MegawJ HPC.Su rf ae eClad d ingbyMultikilowattLa se r.Pro e.e o nf.19838HaarEV,MolianPA.E n七etof Pr o e essVariableonLa s e rCladding.Mate rial Seie n c ea ndEngin e e ring199134:162航天工艺1 99 7年第4期