1. 優(yōu)化工藝參數(shù)

工藝參數(shù)的選擇與覆層的表面質(zhì)量、組織、性能等密切相關(guān)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化可有效減小覆層內(nèi)應(yīng)力，提高覆層的力學(xué)性能。在光斑大小一定的情況下，對(duì)激光熔覆增材制造中裂紋影響的工藝參數(shù)有激光功率P、掃描速度v和送粉速率vmp等 。

 

1.1激光功率對(duì)裂紋的影響

覆

層單位面積內(nèi)的裂紋數(shù)目通常與激光功率P呈正相關(guān) 。上官緒超等在多種激光功率（600，800，1000 W）下對(duì)45鋼表面進(jìn)行激光熔覆增材制造后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率為800 W時(shí)，鐵基復(fù)合陶瓷的裂率*小。Yi等在其他條件一定的情況下，通過(guò)改變激光功率，在灰鑄鐵表面進(jìn)行激光熔覆增材制造，*終在激光功率為3500 W的條件下得到了無(wú)裂紋覆層。朱剛賢等認(rèn)為，提高激光功率和降低進(jìn)給量可以減少裂紋。李嘉寧在研究了激光功率與包層裂紋之間的關(guān)系后認(rèn)為，利用凸點(diǎn)可以減少和控制裂紋。這是因?yàn)楫?dāng)激光功率過(guò)低時(shí)，覆層結(jié)合區(qū)易產(chǎn)生組織疏松和氣孔等缺陷，提高了裂紋敏感性；隨著激光功率提高，覆層中的組織缺陷逐漸減少 。同時(shí)，在激光功率較大的情況下，覆層晶體自由生長(zhǎng)，組織雖略為粗大，但塑性、韌性得以提高，晶間硬質(zhì)相和低熔點(diǎn)晶體減少，有利于降低覆層的開裂敏感性。因此，裂紋數(shù)目隨著激光功率的增大而減少，但過(guò)高的激光功率會(huì)使覆層輸入的比能變多，熔池變大，極端時(shí)甚至?xí)l(fā)生覆層塌陷、熔池外流現(xiàn)象。

 

1.2 激光掃描速度對(duì)裂紋的影響

掃描速度v與激光功率P具有相似的影響。諸多理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，覆層的裂紋率與掃描速度呈負(fù)相關(guān) 。吳新偉等選擇2 kW的CO2激光器在A3鋼基體上熔覆了鎳基WC復(fù)合涂層，試驗(yàn)結(jié)果顯示，覆層宏觀裂紋數(shù)目隨激光掃描速度的增大而減少，在掃描速度為11 mm/s左右時(shí)效果**。此外，張磊等 、Fu等 、Zhou等也通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)掃描速度成功降低了裂紋敏感性。這是因?yàn)殡S著掃描速度增大，固液兩相結(jié)合處的凝固加快，溫度梯度增大，從而導(dǎo)致覆層中的殘余應(yīng)力增大，裂紋率升高。而且，激光功率愈低，掃描速度對(duì)熔覆裂紋的影響就愈**。但是，李嘉寧卻認(rèn)為減小掃描速度引起的溫度梯度的增大量與熔池變大導(dǎo)致的溫度梯度的減小量部分抵消，故而掃描速度的變化對(duì)溫度梯度的影響很小。

 

1.3 送粉速率對(duì)裂紋的影響

送粉速率vmp與裂紋率的關(guān)系十分密切。隨著送粉速率增大，單一覆層變厚，熱應(yīng)力難以擴(kuò)散，致使裂紋率增加。郝明仲在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在大掃描速度下的送粉體積越多，裂紋敏感性就越高。此外，快速掃描時(shí)，覆層上未完全熔化的粉粒也會(huì)增加覆層的孔隙率，這些粉粒也極易卷入覆層，繼而萌生裂紋。此外，送粉量的增大還會(huì)導(dǎo)致覆層表面質(zhì)量變差。宋光明等采用Ni60合金粉末熔覆45鋼時(shí)使用單向送粉雙向掃描工藝，有效避免了覆層裂紋的發(fā)生，并使得覆層表面更加平整，提高了粉材的利用率。

 

 

 

1.4 工藝參數(shù)對(duì)裂紋的綜合影響

熔覆工藝參數(shù)之間關(guān)系密切，對(duì)此，王志堅(jiān)等、Yi等等都進(jìn)行了大量且細(xì)致的研究。高霽等在應(yīng)用正交試驗(yàn)探究工藝參數(shù)對(duì)鈦合金激光熔覆增材制造的影響時(shí)，根據(jù)極差分析得出了諸參數(shù)對(duì)裂紋影響的重要性從大到小的順序?yàn)閽呙杷俣?、激光功率、預(yù)置層厚度、離焦量。這些研究皆證明，工藝參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于覆層裂紋的控制具有積極意義。但是由于不同材料的性能不同，組織和開裂機(jī)理不同，故所適用的工藝參數(shù)也必然有所區(qū)別。于是，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)的方法開始進(jìn)入研究人員的視野。王志堅(jiān)等建立了熔覆線寬與光斑直徑、激光功率、掃描速度、送粉量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上研究了工藝參數(shù)對(duì)裂紋的綜合影響。Yu等采用田口法設(shè)計(jì)了25組正交試驗(yàn)，通過(guò)方差及相關(guān)工藝參數(shù)信噪比的分析，得到了相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆增材制造涂層幾何特征的影響，繼而提出田口法是優(yōu)化多響應(yīng)目標(biāo)工藝參數(shù)的有效解決手段。這些數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法在一定程度上適應(yīng)了不同材料的特性，但是客觀誤差的存在，使得結(jié)果不盡人意。

 

2. 優(yōu)化覆層設(shè)計(jì)

搭接率、分層厚度增量和熱脹系數(shù)是優(yōu)化覆層設(shè)計(jì)中的幾個(gè)要素，其數(shù)值的選擇不*關(guān)乎成形效率，更關(guān)乎覆層的表面形貌及裂紋數(shù)量。下面分別就這幾個(gè)要素進(jìn)行討論。

 

2.1 搭接率對(duì)裂紋的影響

適當(dāng)?shù)拇罱勇蕰?huì)提高覆層的表面質(zhì)量。倘若搭接得過(guò)密，則會(huì)適得其反，這樣也極易使覆層表面傾斜，缺陷累積。Xu等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在不連續(xù)液膜中更易形成高角度晶界的共晶（如圖1所示），這種組織易導(dǎo)致液化裂紋。宋建麗在對(duì)Ni60熔覆316L不銹鋼組織的多次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，搭接率低于30%時(shí)，覆層表面會(huì)出現(xiàn)明顯凹陷，且其凹陷程度與搭接率呈負(fù)相關(guān)。張德強(qiáng)等在45鋼表面熔覆了自熔性鎳基WC粉末，他借助逆向工程技術(shù)來(lái)確定多道搭接率，計(jì)算得到了激光熔覆涂層截面曲線 的三維數(shù)字化模型，得出**搭接率約為25. 47%。覆層表面的凹陷極易導(dǎo)致覆層間形成氣孔等缺陷，這對(duì)覆層的裂紋率及性能都是不利的。

 

分層厚度增量ΔZ一般與搭接率一起綜合考慮，故而搭接率一般在30%~50%的較大區(qū)間內(nèi)選取。

 

 

 

2.2 分層厚度增量和熔覆分層數(shù)對(duì)裂紋的影響

覆層的裂紋敏感性與分層厚度增量ΔZ緊密相關(guān)。在其余參數(shù)相同的情況下，分層厚度增量與覆道間凹陷的程度呈正相關(guān)。在多層激光熔覆成形中，倘若分層厚度增量適當(dāng)，則熔覆中產(chǎn)生的雜質(zhì)會(huì)在后續(xù)熔覆中上浮，降低了裂紋敏感性；反之，倘若分層厚度增量過(guò)大，則不*會(huì)降低成形精度，還易導(dǎo)致雜質(zhì)來(lái)不及上浮，滯留在覆層間，成為裂紋源，并且產(chǎn)生臺(tái)階效應(yīng)。方金祥等為了研究固態(tài)相變對(duì)馬氏體鋼激光熔覆增材制造過(guò)程中應(yīng)力演化的影響，建立了考慮降溫過(guò)程馬氏體相變的熱力耦合激光單道熔覆及多層多道堆積有限元模型，在實(shí)測(cè)材料物性參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)單道熔覆及多層多道堆積應(yīng)力演化進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果表明：馬氏體相變對(duì)應(yīng)力場(chǎng)演化具有**影響；在相同的工藝參數(shù)下，熔覆成形層數(shù)越多，內(nèi)部應(yīng)力累積得越多，越易產(chǎn)生裂紋。故而，有時(shí)也可以根據(jù)實(shí)際情況，在基材與目標(biāo)覆層間設(shè)置單種或多種材料（或過(guò)渡層），使覆層與基體實(shí)現(xiàn)**度結(jié)合，同時(shí)也有利于減少覆層裂紋 。

 

2.3 熱膨脹系數(shù)對(duì)裂紋的影響

熔覆材料一般要根據(jù)覆層的性能要求來(lái)選擇，一般選取與基材濕潤(rùn)性好、熱膨脹系數(shù)相差較小的材料，以減少熔覆過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋。張?zhí)靹偟壤?/span>ANSYS建立了TC4表面Ni60激光涂層的有限元模型，分析了涂層表面的殘余熱應(yīng)力分布；結(jié)果表明，在涂層頂部區(qū)域以及邊緣和底部結(jié)合區(qū)形成的應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，且與實(shí)際試驗(yàn)中涂層裂紋出現(xiàn)的位置一致。為了降低開裂傾向，選擇基體材料的原則是其熱膨脹系數(shù)稍大于熔覆粉末的熱膨脹系數(shù) 。

 

但是熱膨脹系數(shù)對(duì)裂紋的影響**是降低裂紋敏感性，并不能通過(guò)其消除裂紋。余廷等基于微觀組織研究了NiCrBSi鎳基熔覆涂層的裂紋形成機(jī)理，結(jié)果顯示，縱然涂層與基體的熱膨脹系數(shù)差異較小，但涂層也容易開裂 。Wang等 、Ma等 、Dong等提出了在基體與涂層之間引入過(guò)渡層的方法，目的是使覆層內(nèi)各成分的熱膨脹系數(shù)實(shí)現(xiàn)梯度過(guò)渡，以減小覆層的熱應(yīng)力，降低裂紋率。