激光熔覆工艺参数和材料等因素对熔层裂纹关系影响的探讨与思考
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激光熔覆工艺参数和材料等因素对熔层裂纹关系影响的探讨与思考摘要：激光熔覆中裂纹是影响熔层质量的关键因素，本文就激光熔覆中裂纹产生的原因主要是应力方面进行分析，从而从激光工艺参数、材料等方面进行考虑消除裂纹，希望对以后的裂纹控制有所帮助。
关键词：应力；裂纹；工艺参数；材料Research on the Effect of Laser Cladding Process Parameters and Materials to the Crack Melt Layer Relationship Factors Abstract：The crack is key factors of laser cladding layer’s quality ,this paper mainly analysis the effect of stress to the crack, thus from laser process parameters and materials to consider eliminating crack and offer advices to the later research. Key words: stress; crack; process parameters; materials1引言众所周知，激光熔覆过程中由于各种应力包括热应力、组织应力和约束应力等，以及温度梯度和熔池对流传质等的影响都会导致熔覆层出现裂纹等不良因素，这些不良因素严重的妨碍了激光熔覆技术对实验对象质量的可靠性和性能优良性的应用，为此我们必须想办法消除这些裂纹。
而在大多数情况下，裂纹的出现和消除极大程度上取决于激光熔覆工艺参数的选取以及材料选取等其他因素的影响，因此我们对这一参数进行一一分析并总结得出了解决裂纹的办法。
本文综合国内外研究成果，分析了激光熔覆的影响因素，认为热应力、组织应力和约束应力足产生激光熔覆裂纹的主要因素。
并从激光工艺和材料选择两个方面剖析了产生熔覆裂纹的内在原因，从激光功率、扫描速度、光斑大小和材料等方面探讨了消除激光熔覆裂纹的方法。
2激光熔覆裂纹产生的机制我们知道裂纹出现的原因主要是各种应力的影响，包括热应力、组织应力和约束应力[1]，以及温度梯度和熔池对流[2]等。
下面主要就应力的影响做以下介绍：①热应力。
热应力分为两种:一种是在同种材料内部,当材料受热后,由材料的温度梯度造成的。
另一种是由于基材和熔覆材料的热膨胀系数不同,从而使各层之间的热膨胀率和收缩率不一致而产生拉伸或者压缩应力。
②组织应力。
组织应力是由于金属材料受热熔化发生相变各元素之间相互结合形成各种组织而产生的。
③约束应力。
约束应力也是由两方面原因造成的:一是由于熔覆过程很快,熔池温度过高,熔池中已经熔化的部分材料受热膨胀,但受到周围材料的约束即受到压应力作用。
另一方面是由于扫描光束移开后,被扫描区域迅速冷却,而熔覆区域因材料的整体性不能自由收缩导致较大拉应力的作用。
事实上，在激光熔覆过程中，上述因素可以单独作用，也可以交互作用产生裂纹。
它们都是促使裂纹产生的主要因素。
在了解了裂纹产生的原因时，我们可以根据它来源的即应力方面原因一一进行分析，对应的找出消除熔层裂纹的方法。
3 消除激光熔覆裂纹的方法3.1 激光功率参数对熔层裂纹的影响3.1.1 激光功率的影响在激光熔覆过程中，激光输出功率的选取往往是非常重要的，因为它直接影响了熔覆层和熔池之间的热量关系的变化。
经过对大量文献的查看，研究发现激光功率在满足加工要求的前提下，适当的增大功率对熔层裂纹的消除有很好的效果[3]，但增大功率的同时也会直接增大稀释率反而又会降低实验的最终效果，这是一对矛盾的关系，因此我们只有根据实验的具体情况来对功率进行具体的分析选取。
但目前好像由于没有定量的数据分析，很难找出最佳的实验效果，所以我觉得应该在条件允许的情况下研究说明一下，找出到底什么情况下两者会达到最佳的效果! 3.1.2 扫描速度的影响 扫描速度的影响，即在单位时间内光速移动的位移，这也对裂纹的控制有直接的影响。
研究发现，在满足实验要求条件下适当的减小扫描速度可以消除裂[4]。
因为，裂纹对扫描速度的变化较敏感, 主要是指加快扫描速度即增大了温度梯度, 热应力随之增加。
但通过对其他文献的查阅发现减小扫描速度会使熔层表面平整程度下降，这一对矛盾关系很值得我们以后进一步找出最佳工艺参数进行思考。
3.1.3 光斑大小的影响即光斑大小及形状，即考虑到激光束温度分布的不均匀, 应适当增大光斑大小, 采用宽带激光熔覆或改变光束模式, 如采用多模的激光光束式, 使能量为“多峰值分布” , 这样热量分布较均匀, 降低裂纹敏感性。
所以满足实验条件下适当增大光斑的大小对实验有好处[5]。
但另外值得注意的是光斑大小对制件轮廓的尺寸精度有很大影响,如果提高制件的轮廓精度，则要求光斑越小越好。
3.2 材料等其他参数的影响其他参数包括：熔层材料；熔层粉末；送粉量；基体形状；涂层厚度等等。
3.2.1 熔层材料的影响由于不同材料具有不同的物理性能,比如说热膨胀系数、比热容、导热率,互溶度等等。
这其中对激光熔覆影响最大的是热膨胀系数。
熔覆材料和基体的热膨胀系数差异是激光熔覆后产生热应力的主要原因,而热应力则是导致熔覆层开裂的重要因素。
因此,在选取激光熔覆材料时,一方面要针对熔覆后所要达到的熔覆层性能选择:另一方面还要根据熔覆材料与基体材料热膨胀系数进行考虑，一般要求基体的热膨胀系数略大于熔层材料的热膨胀系数[6]，即要尽量减小拉应力。
3.2.2 其他参数的影响熔覆粉末，主要是讲粉末颗粒的大小，研究发现粉末颗粒大的话，相比之下需要更多能量把它完全熔掉，但由于激光熔覆是快速融化快速凝固的原因作用时间非常之短，这样的话会造成有些大颗粒的粉末未完全溶解，而在熔池中由于一些原因的影响会产生残余应力造成裂纹的产生[7]。
送粉量，主要是说送粉的的多少，研究发现单位时间内的粉末多的话，会造成粉末不被完全的熔化掉，即一些粉末未被熔化就进入了熔层进行混合，结果也会产生裂纹[8]。
基体形状，主要是讲基体的形状规则与否，在允许的条件下需保证基体必须是规则且表面需打磨的非常光滑平整。
特许情况下，也就是基体形状不能改变且是不平整的情况就使用实时光束变换进行熔覆否则也会产生裂纹[9]。
涂层厚度，明显的就是预涂粉末的厚度，在满足实验要求的前提下，涂层厚度理论上是越薄越好，这和激光熔覆时传热有关系，否则就会出现厚层熔覆时的裂纹[10]。
4 激光熔覆中裂纹消除的参数各方面因素综合分析通过以上的分析我们可以大概用一个式子来表示激光加工过程中工艺参数对熔层裂纹的影响的关系式：E=P/DV[11]E为激光能量密度，P为激光功率，D为光斑大小，V为扫描速度以上的式子可以方便的知道激光各工艺参数之间的关系，并通过调整，在其他条件都满足的情况下找出最佳的工艺参数，使得熔覆层既没有裂纹的出现，也保证了最佳的实验效果。
再综合国内外研究成果,我们从材料等参数选择方面剖析了消除熔覆裂纹的方法包括：热处理、韧性合金化元素和超声震动三方面。
热处理,主要是对基体进行预热和缓热处理这样对激光熔覆中热应力和温度梯度的减少有很大好处[12]。
方法有：采用激光加工专用电阻保温炉；采用遥感红外线辐照的方式对工件进行加热；采用火焰喷枪加热和保温棉裹覆增加热容的方法对工件进行加热。
韧性合金化元素,主要是说向熔覆材料中添加增韧、增塑元素的方法,来控制裂纹的产生[13]。
而这种元素的加入得视具体基体和熔层材料之间的关系进行操作。
超声震动，主要是说用超声波在熔池中的空化及搅拌作用使正在长大的枝晶网破碎形成均匀分布的小晶核,致使硬质相和温度梯度分布均匀化,减少熔池含气量,从而减少裂纹的产生[14]。
另外也可以采用二次扫描，引入过渡层等方法也可以消除裂纹的产生[15]。
还有从激光设备方面来讲，国产激光处理设备的能量分布均匀性和稳定性以及配套装置都尚未充分达到大范围工业生产应用的水平。
国产激光设备的大功率光束稳定性一般在5 %以内,这样的功率偏差对激光熔覆试样性能的一致性有影响。
为此我认为在充分认识和理解激光器制作原理的基础知识后，如果能想出一种方法使激光输出功率能提高一些，哪怕只有1%的提高那也能大大使激光更快的投放到工业生产中来，所以这方面也很值得我们去研究。
另外，我们可以看出粉末材料的选取对不同基体的熔覆效果也是不一样的，所以在针对不同行业中如何选取最好的熔覆粉末也显的至关重要。
以下是几种常用的粉末材料，比如：熔覆材料中[16]单质元素以及包含该种元素的化合物B 、C 、Ni 、Si 、B4C 、Cr3C2 等，自熔性合金粉末Fe 基粉末、Co 基粉末、Ni 基粉末，陶瓷TiC 、BN 、SiC 、TiB 、TiB2 等，金属间化合物Ti3Al 、TiAl 、Ti5Si3 等，氧化物Al2O3、Zr2O3、R2O3(R 为稀土元素)，生物涂层含羟基磷灰石（HA ）、CP 涂层等，复合粉末NiCrBSi 、CoCrWB 、NiCrFeBSi 混合粉末等。
由此可见，在激光熔覆过程中队熔层材料的研究也是一门重点还是一门难点，如果能在激光熔覆中找出一种性能非常好且能普遍适用的材料意义将非常重大，所以这方面也值得研究。
另外再结合对其他文献的查阅[17]，我们得出激光工艺参数中，在满足实验要求的前提下适当提高减小扫描速度对裂纹消除有很大的帮助，但对熔层表面平整程度的控制效果却不好，这是一个值得解决的问题。
对送粉熔覆来说我们得出在满足实验要求的情况下，减少送粉量对裂纹产生和表面平整程度的影响也是明显的，因此我们可以通过多次对比实验找出最佳的送粉量进行试验。
还有增加的激光功率去能对消除裂纹有很好的作用，但对熔层的表面平整程度以及稀释率的作用却是相反的，为此我想在此基础上如果能找出最佳的实验数据对整个激光熔覆工艺来说是有很大利益的，这也可以进一步促进激光在工业中的应用。
5 总结激光熔覆技术是一门博大精深的学科，其中的每一个细节都将会对实验结果造成一定的影响，并且现阶段的话无论是国外还是国内对激光熔覆加工技术的研究都不是很全面深入，其中包括对熔池的研究，对应力、对裂纹的研究还包括对对流传质的研究等等。
在未来激光熔覆方向上会加大力度探寻新的方法，针对激光熔覆中应力对裂纹的影响以及熔覆过程中熔池对流传质的情况，或许可采用化学中学过的同位素元素标记法对元素的热变及结合情况进行跟踪，充分把握其分布以及与其他元素的结合情况，从而对应力的了解更深入，对消除裂纹有所帮助，还有采用CCD高速摄像机进行同步观测把握熔池中对流传质的关系，可以更深入详细充分的认识到激光熔覆中对流传质对熔覆层结合以及元素的分布的影响。
