激光熔覆裂纹研究现状

1 引言

激光熔覆是 20 世纪 80 年代兴起的一种的制造技术。该技术集快速制造技术与表面改性技术于一体，具有广阔的应用前景；但覆层极易产生裂纹，且其原因多元，难以控制。激光熔覆的大规模应用多受此制约，故而抑制熔覆裂纹的产生成为一个亟待解决的问题。本文从裂纹的分类、形成机理、应对措施等方面总结了目前激光熔覆裂纹的研究现状，以期为激光熔覆技术的发展提供有益参考。

2 形成机理

激光熔覆加工过程温度梯度大、能量密度高且非平衡，故而分析激光熔覆裂纹的形成机理对于裂纹控制具有积极意义。目前，国内外对激光熔覆裂纹萌生与扩展的研究，多从以下三方面展开：

1）对金属材料裂纹萌生与扩展的微观理论进行研究，并提出了微裂纹描述方法；

2）对材料的微观组织进行观察，分析裂纹产生的机理；

3）对材料的组织结构进行仿真，模拟裂纹的产生和扩展。

特别是关于热裂纹的研究，诸多学者皆争鸣般地提出了许多理论、假设、判据，如凝固裂纹理论就有强度理论、回流愈合理论、液膜理论、空穴理论、综合作用理论等等。此外，裂纹的萌生判据有 Pellini提出的应变判据、Prokhorov提出的应变率判据等。但可以肯定的是，从其萌生原因来看，覆层裂纹都是力学、冶金两种因素共同作用的产物，无论是热裂纹还是冷裂纹，其萌生和扩展也都与成形过程中的应力密不可分。下面本文就裂纹形成的机理进行进一步梳理。

2.1 从凝固过程上看

冷凝刚开始进行时，覆层的组成多为液相，因此晶体可以无束缚地生长，故而应变难以集中。但随着时间的推移，当固相占比积累到某一值时，封闭的结构便在固相间形成了，晶间开始出现不连续且不能自由流动的液膜。当冷凝收缩时，固液两相区晶间间断的液膜处易引起应变集中，继而致使裂纹萌生。由于熔覆的冷凝过程极为迅速，裂纹萌生后又无新的液相来使之弥合，微裂纹进一步生长便会形成凝固裂纹。可以说，晶间液膜是裂纹产生的条件，而局部应变集中则是裂纹萌展的前提 。与此同时，快凝、快冷作用在不均匀或偏析的组织中引起了较大的热应力，随后产生残余拉应力。这种力极易沿晶萌生，而后快速沿脆性晶面生长，从而导致了裂纹的产生 。

2.2 从晶体结构上看

熔覆成形时的急冷急热易导致覆层萌生众多位错，这些位错沿的方向滑移，当其碰到晶界中硬质相颗粒的阻碍时，将于滑移带末端造成位错塞积，并致使应力在塞积端集中。这种应力一旦超过了材料的断裂强度，就会出现开裂，裂纹开始形核。当覆层拉应力大于裂纹扩展临界应力时，解理裂纹便产生了 。有时，过高的激光功率、过小的扫描速度或过长的保温时间虽然会大大减缓熔池的冷却速率，但却会使覆层晶粒尺寸过大，应力过于集中，继而增大了易开裂性 。此外，晶粒取向在程度上也影响着裂纹的萌生与扩展，研究发现，裂纹扩展速率与晶粒取向差呈负相关 。

2.3 从组织缺陷上看

覆层中的气孔、夹杂等都可使覆层组织向着高裂纹敏感性的组织转变，从而形成显微缺陷或裂纹源。可以肯定的是，在应力应变条件下，只有当裂纹源的尺寸超过临界缺陷尺寸时，裂纹才开始萌生和扩展 。有时共晶组织也充当着裂纹萌生扩展的“催化剂”。柱状晶界是迟凝固的部位，此处各种偏析元素高度集中。相较于晶内而言，晶界金属的熔点低，裂纹敏感性高。当柱状晶界上的液态金属呈分散液膜状时，在拉应力的作用下，覆层极易因微应变集中而发生沿晶开裂。对于含有脆性相的覆层，由于拉伸残余应力的累积，其易在凝固后的缺陷处引发裂缝。共晶组织可以起到引发位点，为脆性断裂提供简便的裂缝通道的作用，使裂纹沿着位于晶界处的树枝状脆性共晶相传播 。此外，气孔有时也扮演着裂纹萌生扩展，它可使覆层组织松散，甚至使覆层与基体剥离。同时，气孔也是引起应力集中 、增大覆层裂纹敏感性的主因 。

2.4 从材料属性上看

由于覆层与基材之间存在热膨胀系数上的差异，故极易产生热残余应力。该应力表现为残余拉应力，并且在覆层与基材结合处，致使裂纹优先从界面起裂。较大的温差也极易导致约束热应力的产生。较大的温差使覆层不同部位的冷却速度不同，快冷的部位受相邻组织的约束而产生拉应力，该应力会导致冷却的涂层表面优先起裂。此外，熔覆时局部的急热急冷极易引起热应变极度不均。在之后的快速冷凝过程中，因熔池缩小，同时受到基体和已凝固熔池的约束，覆层中会产生拉应力，其值可达数百兆帕。当覆层组织所受拉应力高于其塑性形变极限应力时，裂纹就会产生。

3应对措施

3.1 优化工艺参数

工艺参数的选择与覆层的表面质量、组织、性能等密切相关，对其进行优化可有效减小覆层内应力，提高覆层的力学性能。在光斑大小的情况下，对熔覆裂纹影响的工艺参数有激光功率 P、扫描速度 v和送粉速率 vmp 等 。下面本文对工艺参数与裂纹的关系进行进一步梳理。

3.1.1激光功率对裂纹的影响

覆层单位面积内的裂纹数目通常与激光功率 P呈正相关 。上官绪超等在多种激光功率（600，800，1000 W）下对 45 钢表面进行激光重熔处理后发现，当激光功率为 800 W 时，铁基复合陶瓷的裂率小。Yi等在其他条件的情况下，通过改变激光功率，在灰铸铁表面进行激光熔覆，终在激光功率为 3500 W 的条件下得到了无裂纹覆层。朱刚贤等认为，提高激光功率和降低进给量可以减少裂纹。李嘉宁在研究了激光功率与包层裂纹之间的关系后认为，利用凸点可以减少和控制裂纹。这是因为当激光功率过低时，覆层结合区易产生组织疏松和气孔等缺陷，提高了裂纹敏感性；随着激光功率提高，覆层中的组织缺陷逐渐减少 。同时，在激光功率较大的情况下，覆层晶体自由生长，组织虽略为粗大，但塑性、韧性得以提高，晶间硬质相和低熔点晶体减少，有利于降低覆层的开裂敏感性。因此，裂纹数目随着激光功率的增大而减少，但过高的激光功率会使覆层输入的比能变多，熔池变大，极端时甚至会发生覆层塌陷、熔池外流现象。

3.1.2 激光扫描速度对裂纹的影响

扫描速度 v与激光功率 P 具有相似的影响。诸多理论及实验结果表明，覆层的裂纹率与扫描速度呈负相关 。吴新伟等选择 2 kW 的 CO2 激光器在 A3钢基体上熔覆了镍基 WC复合涂层，试验结果显示，覆层宏观裂纹数目随激光扫描速度的增大而减少，在扫描速度为 11 mm/s左右时效果。此外，张磊等 、Fu 等 、Zhou 等 也通过适当调节扫描速度成功降低了裂纹敏感性。这是因为随着扫描速度增大，固液两相结合处的凝固加快，温度梯度增大，从而导致覆层中的残余应力增大，裂纹率升高。而且，激光功率愈低，扫描速度对熔覆裂纹的影响就愈显著。但是，李嘉宁却认为减小扫描速度引起的温度梯度的增大量与熔池变大导致的温度梯度的减小量部分抵消，故而扫描速度的变化对温度梯度的影响很小。

3.1.3 送粉速率对裂纹的影响

送粉速率 vmp 与裂纹率的关系十分密切。随着送粉速率增大，单一覆层变厚，热应力难以扩散，致使裂纹率增加。郝明仲在试验中发现，在大扫描速度下的送粉体积越多，裂纹敏感性就越高。此外，快速扫描时，覆层上未完全熔化的粉粒也会增加覆层的孔隙率，这些粉粒也极易卷入覆层，继而萌生裂纹。此外，送粉量的增大还会导致覆层表面质量变差。宋光明等采用 Ni60 合金粉末熔覆45钢时使用单向送粉双向扫描工艺，有效避免了覆层裂纹的发生，并使得覆层表面更加平整，提高了粉材的利用率。

3.1.4 工艺参数对裂纹的综合影响

熔覆工艺参数之间关系密切，对此，王志坚等、Yi等等都进行了大量且细致的研究。高霁等在应用正交试验探究工艺参数对钛合金激光熔覆的影响时，根据极差分析得出了诸参数对裂纹影响的重要性从大到小的顺序为扫描速度、激光功率、预置层厚度、离焦量。这些研究皆证明，工艺参数的优化对于覆层裂纹的控制具有积极意义。但是由于不同材料的性能不同，组织和开裂机理不同，故所适用的工艺参数也必然有所区别。于是，采用数值模拟和试验相结合来优化工艺参数的方法开始进入研究人员的视野。王志坚等 建立了熔覆线宽与光斑直径、激光功率、扫描速度、送粉量之间关系的数学模型，并在此基础上研究了工艺参数对裂纹的综合影响。Yu 等采用田口法设计了25组正交试验，通过方差及相关工艺参数信噪比的分析，得到了相关工艺参数对激光熔覆涂层几何特征的影响，继而提出田口法是优化多响应目标工艺参数的有效解决手段。这些数值模拟和试验相结合的方法在程度上适应了不同材料的特性，但是客观误差的存在，使得结果不尽人意。

3. 2 优化覆层设计

搭接率、分层厚度增量和热胀系数是优化覆层设计中的几个要素，其数值的选择不仅关乎成形效率，更关乎覆层的表面形貌及裂纹数量。下面分别就这几个要素进行讨论。

3.2.1 搭接率对裂纹的影响

适当的搭接率会提高覆层的表面质量。倘若搭接得过密，则会适得其反，这样也极易使覆层表面倾斜，缺陷累积。Xu 等通过研究发现，在不连续液膜中更易形成高角度晶界的共晶（如图 1 所示），这种组织易导致液化裂纹。宋建丽在对 Ni60熔覆 316L不锈钢组织的多次试验中发现，搭接率低于30% 时，覆层表面会出现明显凹陷，且其凹陷程度与搭接率呈负相关。张德强等在 45 钢表面熔覆了自熔性镍基 WC 粉末，他借助逆向工程技术来确定多道搭接率，计算得到了激光熔覆涂层截面曲线 的三维数字化模型，得出搭接率约为25. 47%。覆层表面的凹陷极易导致覆层间形成气孔等缺陷，这对覆层的裂纹率及性能都是不利的。

分层厚度增量 ΔZ 一般与搭接率一起综合考虑，故而搭接率一般在30%~50% 的较大区间内选取。

3.2.2 分层厚度增量和熔覆分层数对裂纹的影响

覆层的裂纹敏感性与分层厚度增量 ΔZ 紧密相关。在其余参数相同的情况下，分层厚度增量与覆道间凹陷的程度呈正相关。在多层激光熔覆成形中，倘若分层厚度增量适当，则熔覆中产生的杂质会在后续熔覆中上浮，降低了裂纹敏感性；反之，倘若分层厚度增量过大，则不仅会降低成形精度，还易导致杂质来不及上浮，滞留在覆层间，成为裂纹源，并且产生台阶效应。方金祥等为了研究固态相变对马氏体钢激光熔覆成形过程中应力演化的影响，建立了考虑降温过程马氏体相变的热力耦合激光单道熔覆及多层多道堆积有限元模型，在实测材料物性参数的基础上，对单道熔覆及多层多道堆积应力演化进行了有限元分析。分析结果表明：马氏体相变对应力场演化具有显著影响；在相同的工艺参数下，熔覆成形层数越多，内部应力累积得越多，越易产生裂纹。故而，有时也可以根据实际情况，在基材与目标覆层间设置单种或多种材料（或过渡层），使覆层与基体实现高强度结合，同时也有利于减少覆层裂纹 。

3.2.3 热膨胀系数对裂纹的影响

熔覆材料一般要根据覆层的性能要求来选择，一般选取与基材湿润性好、热膨胀系数相差较小的材料，以减少熔覆过程中产生的裂纹。张天刚等利用 ANSYS 建立了 TC4 表面 Ni60 激光涂层的有限元模型，分析了涂层表面的残余热应力分布；结果表明，在涂层顶部区域以及边缘和底部结合区形成的应力集中比较严重，且与实际试验中涂层裂纹出现的位置一致。为了降低开裂倾向，选择基体材料的原则是其热膨胀系数稍大于熔覆粉末的热膨胀系数 。

但是热膨胀系数对裂纹的影响仅仅是降低裂纹敏感性，并不能通过其消除裂纹。余廷等基于微观组织研究了 NiCrBSi镍基熔覆涂层的裂纹形成机理，结果显示，纵然涂层与基体的热膨胀系数差异较小，但涂层也容易开裂 。Wang 等 、Ma等 、Dong等提出了在基体与涂层之间引入过渡层的方法，目的是使覆层内各成分的热膨胀系数实现梯度过渡，以减小覆层的热应力，降低裂纹率。