岳琨，練國富，陳昌榮，馮美艷

激光熔覆粉末粒徑對(duì)熔覆層成形控制的影響

岳琨，練國富，陳昌榮，馮美艷

（福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福州 350118）

揭示激光熔覆過程中TiC粉末粒徑及工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料熔覆形貌的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)熔覆層成形控制。采用響應(yīng)面法中心復(fù)合設(shè)計(jì)模塊分析掃描速度、激光功率、粉末粒徑對(duì)復(fù)合材料熔覆形貌的影響，建立工藝參數(shù)及TiC粉末粒徑與復(fù)合材料熔覆層面積、熔覆層高度、熔覆層寬度之間的數(shù)學(xué)模型，通過方差分析和模型檢驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。激光功率對(duì)復(fù)合材料熔覆形貌的影響不顯著，粉末粒徑對(duì)熔覆面積影響最為顯著，熔覆層面積隨著掃描速度的減小和粉末粒徑的增大而增大；粉末粒徑對(duì)熔覆層高度影響最為顯著，熔高隨著粉末粒徑的增大而增大，隨著掃描速度的降低而減?。粧呙杷俣葘?duì)熔覆層寬度的影響最為顯著，熔寬隨著掃描速度的增大而下降，隨著粉末粒徑的增大而增大。以熔覆面積最大及熔寬熔高最大為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)比預(yù)測(cè)值與實(shí)際值，熔覆層面積、熔覆層高度、熔覆層寬度的誤差率分別為6.81%，3.9%，7.7%。該研究成果為提高復(fù)合材料熔覆形貌的預(yù)測(cè)與控制提供了理論依據(jù)。

激光熔覆；粉末粒徑；響應(yīng)面法；成形控制

激光熔覆是一種材料表面處理與加工技術(shù)[1]，其原理是通過同步送粉或預(yù)置粉末的方式，在高密度激光束的作用下，使粉末與基體形成良好的冶金涂層[2]。與傳統(tǒng)表面改性技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有成形精度較高、熱影響區(qū)域小、冶金結(jié)合好等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。隨著研究技術(shù)的不斷深入，對(duì)熔覆材料要求也逐漸提高，除了增強(qiáng)相的選擇，粉末粒徑對(duì)冶金涂層的影響也成為研究熱點(diǎn)，近年來，諸多學(xué)者針對(duì)粉末粒徑對(duì)冶金涂層的相關(guān)性能展開了研究。

Shi等[6]采用原位合成技術(shù)制備了不同形貌的TiC來增強(qiáng)Fe基熔覆層，研究表明，在相同的激光熔覆工藝下，隨著熔覆合金粉末粒度的減小，熔覆層呈現(xiàn)出較好的形態(tài)，但熔覆層相并無變化，硬度略有降低但耐蝕性提高。Pelletier等[7]采用激光熔覆技術(shù)將Ni-Cr-Co-Fe粉末沉積在奧氏體不銹鋼上，隨著粉末粒徑的改變，熔化粉末所需的最小能量值也隨之改變。Tanigawa等[8]采用激光熔覆技術(shù)在C45鋼基材上涂覆Ni-Cr-Si-B，通過對(duì)比不同尺寸的合金粉末，發(fā)現(xiàn)使用顆粒越小，層形成所需的熱輸入越少，熱影響區(qū)域的面積也越少。Chen等[9]采用激光熔覆技術(shù)制備粗TiC顆粒增強(qiáng)H13鋼復(fù)合材料，研究表明在各種形狀的TiC中，初始TiC顆粒的硬度最高，其次是原生TiC。Deschuyteneer等[10]采用激光熔覆技術(shù)研究1.2 mm較粗增強(qiáng)顆粒和不同形貌對(duì)涂層抗侵蝕性和滑動(dòng)磨損性能的影響，研究表明，在惡劣條件下使用較大顆粒（750～1200 μm）有明顯優(yōu)勢(shì)，而較小的顆粒（40～160 μm）可以提高滑動(dòng)條件下的阻力。Boussaha等[11]采用激光熔覆技術(shù)研究粉末粒度對(duì)激光熔覆層微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征的影響，研究表明熔化相同質(zhì)量粉末所需的能量值隨著顆粒尺寸的增大而增大。

雖然目前針對(duì)粉末粒徑已有大量研究，但主要集中于材料性能方面，關(guān)于激光熔覆粉末粒徑成形精度的研究較少。由于粒徑的大小對(duì)能量需求有所不同，且能量與熔覆形貌密切相關(guān)。文中基于響應(yīng)面法的中心復(fù)合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，采用激光熔覆預(yù)置粉末的方式開展試驗(yàn)，研究掃描速度、激光功率、粉末粒徑對(duì)熔覆成形截面面積、熔高、熔寬的影響。構(gòu)建復(fù)合材料熔覆面積、熔寬、熔高數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，為激光熔覆工藝參?shù)與粉末粒徑對(duì)復(fù)合材料形貌的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與控制提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇45#鋼為基體材料，基體尺寸為40 mm× 20 mm×5 mm（長×寬×高），熔覆粉末選擇Ni35和TiC，其化學(xué)成分如表1所示。Ni35和TiC粉末形貌如圖1和2所示。

圖1 Ni35粉末形貌

圖2 TiC粉末形貌

表1 Ni35及TiC化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Chemical composition of Ni35 and TiC powder (mass fraction) %

激光熔覆系統(tǒng)如圖3所示，主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備有德國IPG生產(chǎn)的YLS-3000激光器；日本Mitsubishi生產(chǎn)的PLC整機(jī)控制系統(tǒng)；美國Lasermech生產(chǎn)的激光熔覆頭，型號(hào)為FDH0273/f=300；中國同飛生產(chǎn)的激光水冷卻機(jī)，型號(hào)為TFLW-4000WDR-01-3385；中國松興生產(chǎn)的氣流式送粉器，型號(hào)為GZ-DPSF-2；保護(hù)氣體采用Ar氣。

熔覆前，用無水乙醇清洗掉45#鋼基體表面油污，將Ni35粉末和TiC粉末按3︰7的體積比通過球磨機(jī)進(jìn)行混合，球磨時(shí)間為2 h，在研磨碗中加入體積分?jǐn)?shù)為5%的PVA溶液，將粉末與溶液充分研磨，最后通過壓片機(jī)在100 MPa下壓置1 min，粉末厚度固定為1.5 mm。隨后進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)，熔覆后的樣件進(jìn)行線切割、鑲嵌、打磨、拋光，在體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精中浸蝕30 s，進(jìn)行形貌檢測(cè)與金相組織觀察。熔覆層截面示意圖如圖4所示，其中表示熔覆層面積，和分別表示熔覆層高度和寬度。

圖3 激光熔覆系統(tǒng)

圖4 熔覆層幾何結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)方法

響應(yīng)面法（Response Surface Methodology，RSM）是通過建立統(tǒng)計(jì)模型來保證試驗(yàn)科學(xué)性的方法[12-15]，原理是通過實(shí)驗(yàn)得到一系列數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程擬合因素與輸出的函數(shù)關(guān)系，建立一個(gè)合理的數(shù)學(xué)模型，證明試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。文中采用RSM法中的中心復(fù)合設(shè)計(jì)模塊[16]（Central Composite Design，CCD），輸入因素為激光功率、掃描速度、粉末粒徑，輸出變量為熔覆面積、熔高、熔寬，表2為試驗(yàn)的因素水平表，構(gòu)建三因素五水平矩陣。粉末粒徑分為5組，第1—5組的粒徑大小分別為5～20 μm，20～50 μm，50～75 μm，75～109 μm，109～200 μm。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素水平

Tab.2 Experiment factors and levels

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

Tab.3 Experiment design and results

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 方差分析

同理分析表5、表6，可知二者模型信噪比分別為21.9171和16.2645，遠(yuǎn)大于4，說明模型可識(shí)別性高。熔高、熔寬所建立的數(shù)學(xué)模型能夠?qū)崿F(xiàn)熔覆工藝過程中的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，可以對(duì)每個(gè)響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，熔高、熔寬與熔覆工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型如式（2—3）所示。

表4 熔覆面積方差分析

Tab.4 Analysis of variance on cladding area

表5 熔高方差分析

Tab.5 Analysis of variance on cladding height

表6 熔寬方差分析

Tab.6 Analysis of variance on cladding width

3.2 熔覆面積模型分析

熔覆面積殘差分布情況見圖5，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖6。從圖5可以看到試驗(yàn)組的殘差值呈S型分布在直線兩側(cè)，說明模型的擬合性良好。圖6中實(shí)際值基本位于直線左右，說明實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的誤差較小，模型預(yù)測(cè)精度高。

圖7和8為激光功率與掃描速度二者交互作用對(duì)熔覆面積的影響關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率的增大和掃描速度的減小，熔覆面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。掃描速度的大小決定了激光能量作用在熔覆材料上的時(shí)間，當(dāng)激光功率一定時(shí)，隨著掃描速度的減小，激光能量作用在熔覆材料上的時(shí)間越長，熔池壽命也越長，熔化的粉末越多，熔覆層的面積隨之增加；激光功率決定了有效輸入能量的大小，隨著激光功率的增加，單位時(shí)間內(nèi)粉末吸收的有效輸入能量增加，熔化更多粉末，熔覆層的面積隨之增加。所以當(dāng)激光功率增大、掃描速度減小時(shí)，熔覆面積增加。

圖5 熔覆面積殘差分布

圖6 熔覆面積預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖7 SS和LP交互作用對(duì)熔覆面積的3D響應(yīng)面圖

圖8 SS和LP交互作用對(duì)熔覆面積的等高線圖

圖9為粉末粒徑單因素影響趨勢(shì)，可知，熔覆面積隨著粉末粒徑的增加而增加，在激光功率和掃描速度一定的條件下，隨著TiC顆粒尺寸的增大，總表面積減少，熔化大尺寸顆粒粉末需更大能量，TiC顆粒分解程度隨之下降，較大尺寸的TiC并未完全溶解，剩余較多的能量熔覆Ni35粉末，從而使熔覆層面積增加[11]。

圖10為各因素對(duì)熔覆面積的影響規(guī)律，可知，掃描速度對(duì)熔覆面積的影響最為顯著，熔覆面積隨著掃描速度的增加而減小，激光功率對(duì)熔覆面積的影響并不顯著，熔覆面積與粉末粒徑呈現(xiàn)正線性關(guān)系，隨著粉末粒徑的增加，熔覆面積也隨之增加。

圖9 粉末粒徑對(duì)熔覆面積的影響趨勢(shì)

圖10 各因素對(duì)熔覆面積的影響規(guī)律

3.3 熔高模型分析

圖11為熔覆層高度殘差分布，從圖11可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)殘差呈現(xiàn)S型分布在直線周圍，說明模型的擬合性較好。熔高預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖12，可以看出實(shí)際值基本位于預(yù)測(cè)值直線周圍，說明實(shí)際值與預(yù)測(cè)值誤差較小，模型的可靠性較高。

掃描速度對(duì)熔高的影響趨勢(shì)見圖13，可知，熔高隨著掃描速度的增加而減少，在激光功率和粉末粒徑一定的條件下，增大掃描速度，激光作用于熔池的時(shí)間變短，熔池獲得的能量減少，熔融狀態(tài)時(shí)間也隨之減少，從而導(dǎo)致熔覆粉末減少，熔覆層高度降低。粉末粒徑對(duì)熔高的影響趨勢(shì)見圖14，可知，熔高和粉末粒徑呈正相關(guān)的線性關(guān)系，當(dāng)粉末粒徑較小時(shí)，在相同粉末質(zhì)量的條件下，粉末總表面積增大，且熔化小尺寸顆粒粉末所需的能量相比大尺寸顆粒更少。當(dāng)掃描速度、激光功率、預(yù)置的粉末厚度一定時(shí)，小粒徑粉末分解得更徹底，隨著粉末的熔化，熔融液體向兩側(cè)流淌，所以熔高較低，隨著粉末粒徑的增大而增大。

圖11 熔高殘差分布

圖12 熔高預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖13 掃描速度對(duì)熔高的影響趨勢(shì)

圖14 粉末粒徑對(duì)熔高的影響趨勢(shì)

圖15為各因素對(duì)熔高影響關(guān)系，可知，3個(gè)因素均與熔高呈線性關(guān)系。激光功率和掃描速度與熔高呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，激光功率對(duì)熔覆高度的影響不顯著，粉末粒徑與熔高呈正相關(guān)，隨著粉末粒徑的增高，熔高隨之增大。

圖15 各因素對(duì)熔高的影響關(guān)系

3.4 熔寬模型分析

圖16為熔寬的殘差分布，可以看出，試驗(yàn)組的殘差呈S型分布在一條直線上，滿足正態(tài)預(yù)測(cè)模型，說明該模型的擬合值良好。圖17為熔寬預(yù)測(cè)值與實(shí)際值分布情況，實(shí)際值基本位于預(yù)測(cè)值直線周圍，說明實(shí)際值與預(yù)測(cè)值誤差較小，模型的可信性較高。

圖18和圖19分別為激光功率和掃描速度交互作用對(duì)熔寬的3D響應(yīng)面圖和等高線圖，熔寬隨著掃描速度的減小和激光功率的增大而增大，當(dāng)掃描速度減小時(shí)，能量作用于熔池的時(shí)間增長，當(dāng)激光功率增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的能量輸入增加，兩者共同作用下延長了熔池的存在時(shí)間，有利于TiC顆粒進(jìn)入熔池并充分流動(dòng)，熔覆層流平趨勢(shì)增加，熔覆層寬度增加。

圖16 熔寬殘差分布

圖17 熔寬預(yù)測(cè)值與實(shí)際值分布

圖20和圖21分別為掃描速度和粉末粒徑對(duì)熔寬的3D響應(yīng)面圖和等高線圖，由圖21可知，隨著掃描速度的減小和粉末粒徑的增大，熔覆層寬度增加，這是由于掃描速度減小了能量作用時(shí)間增加，熔池的存在時(shí)間增加，TiC顆粒的分解也更加充分，同時(shí)粉末粒徑增加，粉末顆粒的體積增加，熔化大尺寸顆粒粉末需要更多能量，未熔的TiC粉末顆粒沉積到熔覆層底部（見圖22），使熔池向兩側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)更大，熔覆層寬度增加。

圖23和圖24分別為激光功率和粉末粒徑對(duì)熔寬的3D響應(yīng)面圖和等高線圖，由圖23可知，隨著激光功率的減小和粉末粒徑的增加，熔寬呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。激光功率的吸收是一種局部化的表面現(xiàn)象，粉末的總表面積隨著粉末粒徑的減小而增加，隨著表面積的增加，粉末對(duì)激光的吸收率增加，當(dāng)粉末粒徑尺寸較小時(shí)，粉末分解程度較高，粒徑小幅度增加，只增加了總表面積，所以熔寬增加；隨著激光功率進(jìn)一步下降，粉末粒徑增大，作用在粉末上的能量隨之下降，粉末分解變少，熔寬降低。

圖18 LP和SS對(duì)熔寬的3D響應(yīng)面圖

圖19 LP和SS 對(duì)熔寬的等高線圖

圖20 SS和PZ對(duì)熔寬的3D響應(yīng)面圖

圖21 SS和PZ對(duì)熔寬的等高線圖

圖22 TiC顆粒沉積圖

圖25為各因素對(duì)熔寬的影響因素，可知，熔寬隨著掃描速度的增加而減小，隨著粉末粒徑的增大而增大。隨著激光功率的增加，熔寬先增加后降低，但是影響不顯著。

圖23 LP和PZ對(duì)熔寬的3D響應(yīng)面圖

圖24 LP和PZ對(duì)熔寬的等高線圖

圖25 各因素對(duì)熔寬的影響因素

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與工藝參數(shù)優(yōu)化

為了保證熔覆層的幾何形貌并證明模型的精準(zhǔn)度，需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與驗(yàn)證。為了保證實(shí)際修復(fù)的需要，熔寬、熔高、熔覆面積應(yīng)越大越好。通過充分考慮掃描速度、激光功率、粉末粒徑對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的影響，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)及目標(biāo)如表7所示。

表7 優(yōu)化條件及目標(biāo)

Tab.7 Conditions and targets of optimization

對(duì)熔覆面積、熔高、熔寬3個(gè)響應(yīng)值的優(yōu)化結(jié)果如表8所示。期望值最大的一組參數(shù)為：激光功率為1647.218 W，掃描速度為5 mm/s，粉末粒徑為75～ 109 μm；在實(shí)際條件中激光功率不能保留小數(shù)，工藝參數(shù)變更為：激光功率為1647 W，掃描速度為5 mm/s，粉末粒徑為75～109 μm，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表8所示，實(shí)際試驗(yàn)條件下制備的熔覆層面積為3.56 mm2，熔寬為2.365 mm，熔高為1.845 mm。通過計(jì)算，熔覆面積、熔高、熔寬的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值誤差分別為6.81%，3.9%，7.7%，誤差很小，說明模型預(yù)測(cè)精度較優(yōu)。與最優(yōu)組相比，熔覆層優(yōu)化后（見圖26）的缺陷減少，熔覆面積、熔高、熔寬均優(yōu)于最優(yōu)組。

表8 優(yōu)化條件及目標(biāo)

Tab.8 Conditions and targets of optimization

圖26 驗(yàn)證組截面形貌

5 結(jié)論

基于響應(yīng)面法中心復(fù)合設(shè)計(jì)模塊，分析了工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、粉末粒徑）對(duì)復(fù)合材料熔覆層形貌的影響關(guān)系，并建立了工藝參數(shù)與熔覆層的熔覆面積、熔高、熔寬的數(shù)學(xué)模型，為熔覆層成形質(zhì)量的預(yù)測(cè)和控制提供了理論依據(jù)，主要結(jié)論如下。

1）通過對(duì)熔覆層面積進(jìn)行分析，得到影響熔覆層面積的工藝參數(shù)主次如下：粉末粒徑、掃描速度、激光功率。熔覆層面積隨著掃描速度的增大而減小，隨著粉末粒徑的增大而增大。

2）通過對(duì)熔高進(jìn)行分析，得到影響熔覆層高度的工藝參數(shù)主次如下：粉末粒徑、掃描速度、激光功率。熔覆層高度隨著粉末粒徑的增大而增大，隨著激光功率和掃描速度的降低而降低。

3）通過對(duì)熔寬進(jìn)行分析，得到影響熔覆層寬度的工藝參數(shù)主次如下：掃描速度、粉末粒徑、激光功率。熔覆層寬度隨著掃描速度的增大而下降，隨著粉末粒徑的增大而增大。

4）以熔覆層面積最大、熔覆層寬度最大、熔覆層高度最高為共同優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值所得誤差率分別為6.81%，3.9%，7.7%。

5）不同粉末粒徑對(duì)激光的吸收能力不同是影響材料涂層成形形貌差異的主要原因。研究結(jié)果為復(fù)合材料表面涂層的形貌改善及成形質(zhì)量的提高具有重要的指導(dǎo)意義。

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Effect of Powder Particle Size of Laser Cladding on the Forming Control of Cladding Layer

YUE Kun, LIAN Guo-fu, CHEN Chang-rong, FENG Mei-yan

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Fujian University of Technology, Fujian 350118, China)

The work aims to reveal the effect of different TiC powder particle sizes and process parameters on the cladding morphology of composite materials and realize the forming control of cladding layer. The center composite design of response surface method was adopted to analyze the effects of scanning speed, laser power, and particle size on the cladding morphology of composite materials. The mathematical models between process parameters, TiC powder particle size and the cladding area, height, and width of the composite cladding layer were established and confirmed by variance analysis and model verification. The laser power had no significant effect on the cladding morphology, while the powder particle size had the most significant effect on the cladding area. The cladding area became larger with the decrease of the scanning speed and decrease of the particle size. The powder particle size had the most significant effect on the cladding height. The cladding height increased with the increase of particle size and decreased with the decrease of scanning speed. Scanning speed had the most significant effect on the cladding width. The cladding width decreased with the increase of scanning speed and increased with the increase of powder particle size. The optimization of process parameters is carried out with the target of maximizing the cladding area and height. The error rates between prediction and experiment for the cladding area, height, and width are 6.81%, 3.9%, and 7.7% respectively. The results provide a reference for the prediction and control of the cladding morphology of composite materials.

laser cladding; particle size; response surface method; forming control

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.008

TH161+2；TG665

A

1674-6457(2022)03-0058-10

2021-08-01

國家自然科學(xué)基金（51575110）

岳琨（1997—），女，碩士生，主要研究方向?yàn)榧す馊鄹病?/p>

練國富（1980—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榧す庠霾闹圃臁?/p>