劉 琛，穆星宇，李金華，劉 斌

基于灰色理論激光熔覆對形貌影響與優(yōu)化

劉 琛1，穆星宇2，李金華1，劉 斌1

（1.遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001；2.遼寧工業(yè)大學 工程訓練中心，遼寧 錦州 121001）

采用激光熔覆技術在H13鋼上制備鎳基粉末涂層，探究了不同激光功率，掃描速度，送粉電壓等工藝參數對熔覆層形貌的影響。通過計算各個參數的關聯系數及極差，進行分析影響熔覆層形貌的主要因素。采用灰色關聯分析法，計算了不同參數組合下的關聯度，并從中找到最佳工藝參數組合。結果表明，激光功率對熔覆層熔寬的影響較為顯著，熔寬與激光功率呈正相關；送粉電壓對熔覆層熔高的影響較為顯著，熔高與送粉電壓呈正相關；激光功率和送粉電壓對熔覆層的熔深的影響較為顯著，熔深與激光功率呈正相關，與送粉電壓呈負相關。經過分析，在激光功率，掃描速度，送粉電壓中，激光功率和送粉電壓是影響形貌的主要因素，在激光功率為1 400 W、掃描速度為2 mm/s、送粉電壓為16 V的參數下，灰色關聯度最高，熔覆層形貌最佳。

激光熔覆；工藝參數；灰色關聯度

激光熔覆[1-2]是一種新型的表面增材技術，其工作原理是將激光作為一種發(fā)熱源，在激光高溫下使原料粉末快速熔化，使熔覆材料沉積在母板上凝固成型冶金結合涂層的一種增材制造方法[3]，常用來改善工件表面，提高表面性能，提高耐磨耐腐蝕性，以及用于修復磨損部件[4]。激光熔覆的出現，得到了很多人的高度重視。它成功解決了傳統加工中存在的一些問題，如涂層與基體結合強度較差，稀釋率大、變形大、涂層薄等缺陷，相比于傳統加工它對材料的使用范圍更加廣泛[5-8]。

然而，激光熔覆熔覆層的形貌卻受到各種因素影響，如激光功率，掃描速度，掃描電壓，離焦量等[9-10]。王志堅等[11]研究了激光功率以及掃描速度對熔池的影響，練國富等[12]研究了激光熔覆工藝參數及TiC粉末比例對復合材料熔覆形貌與成形效率的影響關系，張超等[13]研究了不同工藝參數對熔池與熔覆層高度的影響。Fan等[14]對不同工藝參數下的熔覆層形貌、組織和性能等進行了研究，并指出加入Mo2C可提高熔覆層硬度。

在實際生產中，工藝參數是相互作用的，存在著很多不確定的因素，因此，想要得到最優(yōu)的熔覆層形貌，就需要大量的實驗來支撐來確定合適的參數，但是這樣會帶來很大的工作量以及高昂的成本，為此，提出了一種形貌預測的方法，采用灰色關聯分析法[15]，通過計算關聯度進而找出最佳的熔覆層形貌。

1 灰色關聯分析法及實驗設計

1.1 灰色關聯分析法

灰色關聯分析法是一種尋求系統中各個因素之間的數值關系的一種方法，在系統中各個因素變化趨勢的相關度稱之為關聯度。如果因素變化趨勢一致，那么其關聯度較高；若相反，則關聯度較低。激光熔覆的熔覆層形貌是由多個工藝參數相互作用，共同影響的，存在著很多不確定因素，因此激光熔覆是一個不完備的系統，所以可以運用灰色關聯分析法得出各個因素之間的關鍵影響因子，通過計算各個參數下的關聯度，來分析熔覆層形貌與理想之間的關系，進而預測最優(yōu)熔覆層形貌。

假設激光熔覆實驗結果中有個評估目標，那么第個評估目標對象如式(1)所示。

式中：為實驗的組數。

設式(2)所示為理想實驗評估目標，利用式(3)、(4)對熔覆結果組合的判斷矩陣進行無量綱化處理。

式(3)用來進行正向評估目標無量綱化處理，式(4)用來進行負向評估目標進行無量綱化處理。

在理想的熔覆實驗中，熔覆層應具有較寬的熔寬，較低的熔高及熔深，因此設熔覆高度，及熔覆深度為負向評估目標，熔覆寬度為正向評估目標，理想指標為(1 0 0)。

通過式(3)和式(4)將評估目標進行無量綱化后，計算各個目標與理想之間的差值，數據差序列處理公式如式(5)所示。

將利用式(5)計算的差值代入灰色關聯系數公式(6)中，通過式(7)得到最終關聯度結果。

式中：為分辨系數，取0.5。

1.2 實驗設計

本實驗采用的粉末為鎳基粉末，基材為H13鋼，主要成分如表1所示。

表1 Ni60合金粉末和基體H13鋼的主要成分

實驗中H13基體尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，在實驗前需將鋼板表面打磨干凈，防止表面存有鐵銹或者異物，影響實驗結果，打磨完后對其進行表面清理，吹干。

本實驗設計為3因素4水平的單道熔覆實驗，各因素水平如表2所示，其中A代表激光功率，B代表掃描速度，C代表送粉電壓。

表3為送粉電壓與送粉量之間的關系。

表2 各因素實驗水平

表3 送粉電壓與送粉量的關系

為防止實驗中可能存在的誤差影響實驗結果，進行了多組實驗，經過多次測量計算，取其平均值，得到較為準確的數據。實驗完成后在切割機上進行切割，得到熔覆截面，然后分別用200、400、600、800、1 000、1 200目的砂紙進行打磨熔層，直至表面光滑，之后再拋光機上進行拋光，最后按HF∶HNO3∶H2O=2∶4∶7的比例進行配置腐蝕液，配置好后進行腐蝕，將腐蝕好的試件放入顯微鏡下，觀測熔覆層組織和形貌，并測量其熔寬，熔高，以及熔深。

2 實驗結果分析及優(yōu)化

2.1 實驗結果

通過觀測熔覆層組織形貌，對各個不同參數下的形貌進行了測量，分別得出其熔寬，熔高，及熔深長度，表4為進行3因素4水平下正交實驗所得結果。通過實驗結果，采用灰色關聯分析法進行形貌預測。

表4 實驗結果

通過式(6)和式(7)得到正交實驗下的灰色關聯系數與灰色關聯度，如表5所示，其中1()表示熔寬關聯系數，2()表示熔高關聯系數，3()表示熔深關聯系數，()表示該參數組合下的關聯度。

表5 灰色關聯結果

110.4570.3810.5170.452 120.5040.4200.4550.460 131.001.000.4280.809 140.6940.5480.6000.614 150.4960.3331.000.610 160.4720.3810.5170.457

2.2 單因素分析

關聯系數表示各個單因素與理想參數的關聯程度，因此可以通過關聯系數來對單因素進行分析。并且為了下文進一步驗證灰色關聯度的可行性提供便利。根據表5計算的的數據，對應正交實驗下的水平值以及實驗組數，分別求得熔寬、熔高和熔深的單一指標的灰色關聯系數分配表，表6所示，分別計算出各個工藝參數對熔寬，熔高，熔深的影響，并綜合其影響程度，整合出理想的工藝參數的組合。

表6 灰色關聯系數分配表

(1)熔寬 根據表7極差分析可知，A代表的激光功率和B代表的掃描速度對熔覆層形貌中熔寬的影響較大，C代表的送粉電壓影響較小，并且激光功率是影響熔寬的主要因素，因此繪制熔寬在不同掃描速度下激光功率趨勢曲線，如圖1所示。

表7 不同水平熔寬的平均灰色關聯系數

圖1 激光功率對熔寬的影響

由圖1可知，當掃描速度不變時，隨著激光功率的增加，熔寬呈現出增大的趨勢，探究其產生的原因可能有以下幾點:一是隨著激光功率的增大，輸入到粉末與基材的能量增加，基材融化的部分變大，即熔池面積增大；二是激光功率的增大使其粉末融化的更加充分，使融化的粉末與基材融合的面積增加；都會導致熔覆層熔寬與激光功率呈正相關的關系。

(2)熔高 根據表8的極差分析可知，送粉電壓和掃描速度對熔覆層形貌中熔高的影響較大，激光功率的影響較小，并且送粉電壓是影響熔高的主要因素，所以繪制熔高在不同掃描速度下送粉電壓趨勢曲線，如圖2所示。

表8 不同水平熔高的平均灰色關聯系數

圖2 送粉電壓對熔高的影響

由圖2可知，當掃描速度或者激光功率不變時，隨著送粉電壓的增加，熔高均呈現出增大的趨勢，分析原因可知，送粉電壓增加，即送粉速率增加，單位時間內粉末數量增加，所以可用于參與形成熔覆層的粉末數量增加，即融化的粉末堆積的高度增加，圖2中掃描速度為2 mm/s和3 mm/s，送粉電壓12 V時，熔高下降可能是激光器在這個參數時刻下，送粉氣流量氣壓減小，導致送粉減少，從而出現誤差，熔高降低。

(3)熔深 根據表9的極差分析可知，激光功率和送粉電壓對熔覆層形貌中的熔深的影響較大，掃描速度的影響較小，并且激光功率與送粉電壓影響程度相近，所以分別繪制熔深在不同送粉電壓下激光功率趨勢曲線和熔深在不同激光功率下送粉電壓趨勢曲線，如圖3、圖4所示。

表9 不同水平熔深的平均灰色關聯系數

圖3 激光功率對熔深的影響

由圖3可知，當送粉電壓不變時，隨著激光功率的增加，熔深呈現出增大的趨勢，分析其產生的原因，送粉電壓不變，即送粉速率不變，單位時間內粉末數量不變，激光功率增加，即單位時間輸入到粉末和基材上的能量增加，輸入到基材上的單位能量密度增加，即基材熔化的體積增大，熔池深度增大，所以熔深增大。圖3中送粉電壓12 V，激光功率1 300 W時，熔深突然陡降的原因可能是在該參數組合下，激光器的能量密度下降，熱源分布不勻，從而在該參數下部分粉末為完全熔化，從而影響了熔池深度。

圖4 送粉電壓對熔深的影響

由圖4可知，當激光功率不變時，隨著送粉電壓的增加，熔深呈現出減小的趨勢，分析其產生的原因可知，激光功率不變即單位時間內輸入到粉末和基材的能量不變，送粉電壓增大，單位時間內粉末數量增加，所以輸入到粉末上的能量增加，基材上的能量減少，熔池體積減小，即熔池深度減小，所以熔深減小。

2.3 實驗結果優(yōu)化

灰色關聯度越大，則表明與理想結果越接近，由表5計算不同參數組合下的灰色關聯度可知，第13組灰色關聯度最大，為0.809，所以由此可得該參數組合為最佳參數組合，及激光功率為1 400 W，掃描速度2 mm/s，送粉電壓16 V。

為了進一步驗證其準確性，分別對單因素及總體進行分析，由表7～9可以得出不同因素在不同水平值時對各指標影響程度不同，通過灰色關聯分析法計算得到灰色關聯系數。由表7可得到影響熔寬的最佳參數組合為A4B1C4，其對應正交試驗組工藝參數為1 400 W，2 mm/s，16 V；由表8可得到影響熔高的最佳參數組合為A4B1C4，其對應正交試驗組工藝參數為1 400 W，2 mm/s，16 V，由表9可得到影響熔深的最佳參數組合為A4B3C2，其對應正交試驗組工藝參為1 400 W，3 mm/s，12 V。根據以上的單因素分析，可分析出總體影響關系，如表10所示，可以看出對總體熔覆層形貌的影響程度：激光功率＞掃描速度＞送粉電壓。

表10 總體熔覆質量的影響關系

根據表7和表10，得到激光功率對熔寬的影響關系:A4＞A3＞A2＞A1，掃描速度對熔高的影響關系:B1＞B2＞B3＞B4,送粉電壓對熔深的影響關系：C4＞C3＞C2＞C1。綜合選擇后，最佳參數組合為：激光功率1400 W，掃描速度2 mm/s，送粉電壓16 V。由關聯系數求得整體參數與灰色關聯度最大一組參數一致，都為第13實驗組，由此進一步證實灰色關聯度最大一組為最佳優(yōu)化參數組。

各組熔覆層形貌及第13組的熔覆層形貌如圖5、圖6所示。

圖5 實驗金相圖

圖6 優(yōu)化參數金相圖

圖5是本次實驗各組的金相圖，從圖中可觀察到每組的熔覆層形貌，圖6為最優(yōu)參數下第13組的實驗金相圖。從圖6中可以觀察出優(yōu)化參數下的熔覆層形貌較規(guī)整，熔寬大，熔高與熔深小，且其稀釋率在7.5%左右，可以較好的提升熔覆后材料的性能。

3 結論

(1)通過單因素關聯系數的極差分析我們得到了：熔寬主要取決于激光功率，且激光功率與熔寬呈正相關；熔高主要取決于送粉電壓，且送粉電壓與熔高呈正相關；熔深主要取決于激光功率和送粉電壓，且激光功率與熔深呈正相關，送粉電壓與熔深呈負相關。

(2)通過灰色關聯度的計算與分析，得出在激光功率1 400 W，掃描速度為2 mm/s，送粉電壓16 V為最佳激光熔覆工藝參數組合。

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Influence and Optimization of Laser Cladding on Morphology Based on Gray Theory

LIU Chen1, MU Xing-yu2, LI Jin-hua1, LIU Bin1

（1. College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2.Engineering Training Center, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The effect of different laser power, scanning speed and powder feeding voltage on the morphology of the clad layer was investigated. The main factors affecting the morphology of the clad layer were analyzed by calculating the correlation coefficients and extreme differences of each parameter. Grey correlation analysis method was used to calculate the correlation degree of different parameter combinations, and the optimal process parameter combinations were found. The results show that the influence of laser power on the melt width of the clad layer is significant, and the melt width is positively correlated with the laser power; the influence of powder feeding voltage on the melt height of the clad layer is significant, and the melt height is positively correlated with the powder feeding voltage; the influence of laser power and powder feeding voltage on the melt depth of the clad layer is significant, and the melt depth is positively correlated with the laser power and negatively correlated with the powder feeding voltage. After analysis, among the laser power, scanning speed and powder feeding voltage, the laser power and powder feeding voltage are the main factors influencing the morphology, with the highest grey correlation and the best morphology of the clad layer under the parameters of 1400W laser power, 2mm/s scanning speed and 16V powder feeding voltage.

laser cladding; process parameters; grey correlation degree

10.15916/j.issn1674-3261.2022.06.004

TH16

A

1674-3261(2022)06-0367-06

2021-10-29

遼寧省科技廳聯合基金項目(201602371)

劉 琛(1996-)，男，山西太原人，碩士生。

李金華(1978-)，男(滿族)，遼寧葫蘆島人，教授，博士。

責任編輯：陳 明