激光熔覆层开裂行为的影响因素及控制方法-

1、第26卷第1期2000年1月光学技术OPTICAL TECHN IQU EJan.2000文章编号:100221582(20000120084203激光熔覆层开裂行为的影响因素及控制方法傅戈雁1,刘义伦2,石世宏1(11中南工学院,衡阳421001;中南工业大学,长沙412000摘要:激光熔覆层开裂是影响覆层质量最主要的因素,特别是厚覆层。选用5kW横流CO2激光器对各种不同材料和零件进行厚覆层激光熔覆,实验、检测和使用的效果说明:激光熔覆层开裂主要与激光系统参数、工艺处理条件、覆层材料、基体状况等四个方面有关。分析了熔覆层的开裂行为,并介绍了几种控制方法。关键词:激光熔覆;覆层裂纹;控制方法

2、中图分类号:TN249文献标识码:AThe influence factors of cracking behavioron laser cladding layer and its controlFU Ge2yan1,LI U Y i2lun2,SHI Shi2hong(Zhongnan Institute of Technology,Hengyang421001,ChinaAbstract:The cracking behavior of laser cladding layer is the primary factor influencing the quality of claddi

3、ng layer.The5kW laser with CO2flow transverse is used for cladding the faces of various material.The tests,examines and usin g results show that the crack behavior of laser cladding mainly depends on the four as pects of the parameters of laser system, conditions of technological treatment,material

4、of cladding layer and state of the base metal.The reasons of which the cladding layers especially the thick one crack are analyzed and the several control methods are introduced.K ey w ords:laser cladding;cracks of cladding layer;control method1引言激光熔覆技术在国内尚未实现产业化的原因是多方面的,其覆层质量的不稳定是最主要的原因,特别对于厚覆层和大面积

5、覆层,以及某些覆层材料、大型工件和复杂表面。覆层缺陷主要是裂纹,其次是气孔、成分不匀等。由于在材料表面强化改性工艺上明显优于等离子喷焊、堆焊等传统工艺,产品关键部件的重要表面经激光熔覆强化处理或修复后的性能、寿命、可靠性、作用价值成倍提高,加上激光加工适应性强、精度高、节能、省材、无公害无污染等一系列优点,所以,对激光覆层中部分不能控制的质量指标进行研究,分析缺陷成因,提出有效的控制方法与措施,具有重要的意义。我们在进行产品零部件的激光熔覆强化实验研究中,得出的结论是:激光熔覆层的开裂主要与激光系统参数、工艺处理条件、覆层材料、基体状况四个方面有关。本文结合试验研究过程对激光熔覆层的开裂现象从

6、上述几个方面进行分析探讨,为激光覆层,特别是厚覆层的质量控制提供参考依据。2试验条件与方法加工对象为阀门零件(阀门通径为38mm、50mm、65mm、130mm几种上的密封面。试验用试块厚10mm20mm。阀瓣模拟试件为圆柱形。阀体模拟试件呈三通状。熔覆面均为环形。零件、试块模块件的材料为Cr18Ni12Mo3Ti、1Cr18Ni9Ti、2Cr13等不锈钢,45碳钢、铸钢、铸铁。熔覆材料为NiCrFeBSi和CoCrWB等合金粉末。粘接剂为2123酚醛树脂。选用5kW横流CO2激光器,对采用预置粉末法涂覆在试件上的合金涂层进行单道或多道激光扫描,预置层粉厚度1mm4mm,试件由三维数控工作台驱

7、动。熔覆工艺参数为:激光功率24kW,扫描速度V=38mm/s,光斑尺寸5mm8mm。收稿日期:1999208202;收到修改稿日期:1999210213作者简介:傅戈雁(19592,女,湖南人,中南工学院副教授,从事机械设计与制造研究。3试验结果与分析3.1熔覆工艺熔覆工艺参数中的功率P,光斑尺寸和扫描速度V是决定合金熔覆层吸收能量大小的主要参数。熔覆层单位面积所需能量E的计算公式为E =P/bV,式中b为激光光斑宽度。一般覆层越厚,所需能量就越大。激光束功率、光斑尺寸和扫描速度三个参数对激光熔层质量的影响已有不少报道3、4,实际上,一些优良的覆层质量指标并不可兼得。激光熔覆由于加热冷却速度

8、极快,熔池寿命很短,常使熔层中可能存在的氧化物、硫化物和其它杂质常来不及释放出来。它们存于覆层中,很容易成为裂纹源。另外,熔覆层在瞬间凝固结晶,晶界位错,空位增多,原子排列极不规则,凝固缺陷也增多,同时热脆性增大,塑韧性下降,开裂敏感性也就增大。覆层越厚,以上情况就越明显。对于厚层熔覆,有时缺陷常常难以避免,我们在加大功率密度,减慢扫描速度方面做了一些试验,目的在于延长熔池寿命,增大能量输入,这样做能起到一些好的效果,但要适度控制。一般来说,大的功率密度,慢的扫描速度,都有利于粉末层的充分熔融,延长熔池寿命,使其中的杂质充分上浮到表面,使熔层与基体牢固融合,使裂纹与裂纹源产生的几率大大下降。但

9、是,输入的比能越大,将使覆层的稀释率加大,硬度降低,晶粒变粗大,元素烧损率加大,这样激光加工的优越性将受到损失。所以,在选取实际工艺参数时,往往要根据覆层的厚度、粉末材料的熔点、吸收系数及其与基体的匹配性、润湿性等因素,并通过试验来选择。只有优化工艺参数,控制好能量密度和作用时间,才能避免裂纹出现,又得到最佳覆层质量。采用重熔处理方法也有一定效果,即在第一次扫描后的熔层上再扫描一次。这样对均匀组织成分,排除杂质,平整表面,消除缺陷有一定用处,我们反复多次发现,一次扫描后出现的微裂纹在第二次扫描后消失了,但对于穿透性的裂纹,延伸到了基体表面的裂纹,重熔是无效的。对于环形等封闭性扫描轨迹,一般扫描

10、收光点位于上一次扫描过的覆层上,如果没有功率降而突然收光,大都在收光点会出现火口裂纹。采用扫描速度不变,功率缓降的方式收光,可避免火口的裂纹。对于大面积熔覆必须采用多道搭接扫描方式,搭接处出现裂纹和开裂的几率要增大许多。312覆层材料目前国内尚无商品化的专用于激光熔覆的合金粉末,较多是采用热喷涂或热喷焊用合金粉末。熔覆材料的成分一般根据使用要求与基体的状况来选配。现一般都采用自身能起熔剂作用的自熔性合金粉末。自熔性元素一般为B和Si。目前在用于热喷焊的Ni基自熔粉末中都加入了较高的B和Si。我们在试验中发现,粉末中B、Si、C元素的含量越大,覆层硬度越高,同时覆层的开裂倾向也越严重。众所周知,

11、B、Si元素增加和C含量的增加都能生成硬质相,从而提高覆层硬度,导致塑性下降,加大覆层开裂性。另外,B、Si有脱氧、造渣保护、湿润界面和抑制气孔的作用,但B在Fe及Ni中的溶解度几乎为零,因此易析集于晶界而引起裂纹。而Si在含Ni较高的合金中很易于偏析,增大热裂倾向。对含Ni较高的合金,Si能形成低熔共晶夹杂,对结晶裂纹影响很大1。由于激光熔覆的熔池寿命短,Si、B发生脱氧作用时氧化硅、氧化硼化合形成的硼硅酸盐,来不及完全上浮到熔池表面,特别对于厚覆层,这种低熔点的硼硅酸盐部分残留在覆层内。在覆层冷却过程中形成了液态薄膜,在覆层冷却收缩产生的拉应力作用下,从而产生结晶裂纹。所以在满足使用性能的

12、要求下应尽量降低B、Si的含量,现在用热喷焊粉末来进行激光熔覆是不尽合理的。粉末中C元素的含量多少是矛盾的,含C量多可提高熔层硬度与强度,但含C量的增加伴随着熔层硬脆性增加,同时使开裂几率加大。另一方面,粉末中可能出现碳与铬元素的亲和作用而生成碳化铬,这样会使熔层含铬量下降而降低熔层的耐腐蚀性能。实际上高能激光热源的特殊作用能产生不同一般的各种强化效果,我们通过多次实验已能证明:同种粉末用于激光熔覆比用于各种热喷焊工艺形成的熔层硬度就要高20%40%2。所以适当降低粉末中C元素的含量是有多种好处的。还有一种控制覆层开裂的方法,就是引入一过渡层。即采用抗裂性强、与基体物理性质匹配较好的粉末作底层

13、。此层较薄,激光熔覆后底层稍作处理再引入能满足使用要求的上层。采用这种二次铺粉和处理的方法在不同基体上都获得了成功,如图1所示。此方法增加了工序,操作更复杂,粉末利用率也有所降低。但为了增强粉末与基体的适配性和实现厚层熔覆,这样做还是有实际意义的。3.3基体状况(1基体材料第1期傅戈雁,等:激光熔覆层开裂行为的影响因素及控制方法图1引入过渡层的激光熔层下部(100×我们选用几种钴、镍基合金粉末分别在1Cr18Ni9Ti 、2Cr13、碳钢、铸钢、铸铁等基体做熔覆试验时发现:按以上顺序,开裂倾向依次增大。根据以上材料的热物理性质,可见基体材料膨胀系数越小,覆层开裂倾向越大。据此分析:熔

14、池在激光束作用时处于熔化状态,基体结合面表面微熔,此时从熔池到基体,由表及里形成一温度梯度,并出现不同程度的热膨胀。当激光束移开后,熔层速冷并收缩,基体热影响区也开始降温并收缩。此时膨胀系数越大,冷却收缩也越大。当基体结合层收缩大于覆层收缩时,覆层受压应力作用,反之受拉应力作用。如果在固态下某一时刻覆层受拉应力作用,而且此力达到覆层材料在此温度下的极限应力时,覆层将被拉裂。所以基体材料的膨胀系数大一些好,不一定要求与覆层粉末的膨胀系数相近。另一方面,覆层下基体表层热影响区在收缩同时也受到基体和周围金属的限制,所产生的拉应力超过当时温度下的应力极限时,基体表层也可能产生裂纹。这种裂纹有可能扩展到

15、覆层表面,所以作为基体来说,塑韧性好的材料其抗裂性要优于硬脆性材料。(2表面状态基体的熔覆面最好为平整,连续光滑,组织均匀,无残余应力,无缺陷的表面。一般要注意基体表面不能进行多次熔覆,即一般不要刮去上次的熔覆层再次熔覆。因为前次熔覆后基体热影响区的组织变化,残余应力,可能留下的缺陷如微裂纹等都可能成为再次熔覆表面出现裂纹等缺陷的源头。要修刮重熔,需去除包括热影响区在内的基体表面层,当然还需考虑工件本身尺寸许可。(3基体热容量与处理方式激光熔覆的特点之一就是覆层升温快,温度高。激光束移开后,熔层速冷,而熔层的大部分热量是由基体传走的,那么基体热容量越大,熔层冷却速度越快。此时熔层的开裂倾向也增

16、大。我们在一些试块上做熔覆试验时,覆层并未出现裂纹,但一到零件上做就开裂。分析其原因之一就是一般试块体积都小,故热容量小,熔层冷却速度慢。而零件体积大得多,热容量大,熔层向基体传递的热量就多,熔层冷却速度大,即开裂性加大。基体采用预热和缓冷处理,是避免产生裂纹的有效措施。基体预热实际上是通过预加温降低了熔覆面由表及里的温度梯度,也即减缓了覆层的冷却速度,从而使覆层开裂几率降低。覆层经处理后基体的保温与缓冷对抑制熔层冷裂纹出现,减少覆层残余应力等有一定作用,但是如保温温度过高,时间太长,将会使覆层组织粗大,晶粒度增大,硬度降低。(4基体形状与结构基体的形状、结构尽量以简单为好,尖角拐点处极易产生

17、裂纹。结构的热对称性也很重要,一些试块、模拟件和一些简单零件由于它们的外形、结构简单,对称性好,所以在熔覆时的热应力分布均匀,开裂性很小。但在一些形状结构不那么规则的零件上,开裂几率就明显增大。在阀门零件的阀瓣密封面与阀体密封面上进行熔覆时发现后者由于形状结构复杂而开裂几率大得多。我们在对尿素生产线上的甲胺泵组合阀密封面进行激光熔覆强化时,其外形、结构简单的阀盖零件可熔覆2mm 3mm 厚的覆层;而体积较大,结构复杂的阀体零件表面由于厚覆层易出现横断裂纹故只能熔覆上1mm 以下厚度的覆层。装配上线使用时,密封面在介质的强腐蚀下,在频率为5070rpm ,冲击力为200N/cm 2的工况下,阀体

18、密封面覆层很快开裂并成片塌陷,即在较软基体上的薄硬覆层此时成了”脆皮”。而阀盖密封面却没有被破坏和失效,使用寿命还提高了几倍。在激光熔覆时,激光束扫描后覆层凝固收缩,而周围的金属必然阻止它收缩,对覆层产生了拉应力。覆层周边的金属越多,则此拉应力也越大,覆层开裂的几率则越大。图2为截止阀阀体,其密封面位于内腔表面。这种外包围结构越大,即图中的H 、A 值越大,在覆层的冷却过程中对其产生的拉应力也就越大。这种阀体还是非对称结构,熔覆时的热应力分布更加复杂,热应力不均匀又加大了覆层开裂图2截止阀阀体性。在覆层外围开一沟槽(如图2是切断外围金属拉应力的有效措施。另外,基体预热和后处理,前述引入覆层过渡

19、层的方法、熔池振动能输入的方法(另文报道等都是降低开裂几率,加大覆层厚度的有效措施。要特别注意的是,试验中的试块和模拟件形状(下转第89页光学技术第26卷根据式(1所示,采用我们这种设计结构,上屏束斑主要决定于球差和磁聚焦后的空间电荷效应,而高斯像点可以不预考虑。一般来说,缩短像距有利于减小磁聚焦后的空间电荷效应,从而缩小上屏束斑直径。为了提高分辨率,我们总希望把整管的像距设计得更短一些,然而这样做,又必然使得偏转灵敏度下降,我们作了折中处理。313光导纤维面板与玻锥的粘接根据管子的总体设计要求(如偏转角和偏转灵敏度设计出玻锥,并加工出模具压制成型。由于光纤面板不能用煤气火头进行高温封接。因此

20、,只能用低熔点玻璃进行粘接加工。这项工作难度大,开始,我们遇到很多困难,粘接合格率低,炸裂现象严重。一方面,我们细致地调整光纤面板、低熔点玻璃和玻锥之间的膨胀系数的匹配关系,使之粘接后产生一定的压应力;另一方面,要准确地摸索出合理的升温和降温曲线。经过深入细致的摸索和试验,终于掌握了规律,找到了较佳工艺规范,成功地解决了光纤材料和玻锥材料的粘接问题,这就使光导纤维技术在CR T中得到应用成为可能。此外,为保证光纤的定向传输,在粘接过程中要严格保证光纤轴线与玻壳轴线的平行度要求。314荧光屏的制造技术在荧光屏的制造方面,我们考虑到光纤管的特殊要求,例如:解决了光纤面板不能用酸类(如HF 酸清洗给

21、制屏前的内屏表面清洁处理带来的困难。首先根据电子枪末级阳极电压计算电子束穿透深度,在粉层厚度下小于窗透深度的情况下,粉层厚度设计得薄一些,以利于提高分辨率。其次是选择最佳工艺方法和工艺规范。同时,我们采用沉淀的方法,摸索了适合光纤材料的沉淀最佳规范。采用特殊的粘接剂,使荧光粉层与光导纤维面板粘附,找到了荧光粉的最佳粒度级配,最终解决了荧光屏的制造难题。在沉淀过程中,为了获得高的分辨率,不仅要考虑到荧光粉的粘接牢固度,更重要的是考虑荧光粉颗粒在沉淀溶液中保持原有分散度的能力。当电解质溶液浓度过大时,则该体系保留原有分散度的能力下降,荧光粉颗粒变得粗大,从而使分辨率下降。因此,我们采用高效低浓度胶体配以低浓度电解质溶液,虽然沉淀时间相对较长,但获得了细密均匀的荧光屏,较好满足了要求。4成果的技术水平及应用情况经过努力,该课题取得了明显成效。1993年10月,我们的样品经电子部电真空器件检测中心检测,结果表明:工作亮度在1011cd/m2条