激光熔覆层开裂问题的研究现状_祝柏林
热烈祝贺陈 洵高级工程师80华诞
今年4月26日,《金属热处理》杂志、全国热处理学会、中国热处理行业协会、全国热处理标准化技术委员会和行业室党支部的代表
一行10人,受北京机电所领导和党委的委托,来到京郊云岗庄户村,热烈祝贺《金属热处理》前主编、高级顾问、中国民主促进会成员陈 洵高级工程师80寿辰。
陈 洵先生一贯襟怀坦白,埋头苦干,为我国机械行业的发展作了大量卓有成效的工作,特别是来到北京机电所后接任《金属热处理》杂志主编工作十余载,为期刊事业的发展呕心沥血,做出了突出贡献:他率先开辟了《金属热处理》杂志广告业务,开创了以广告养杂志的新局面;他和已故朱沅浦老主编一样,坚持开门办刊,处处言传身教,悉心育人,提携后生,无私奉献,为期刊的持续发展和走向世界打下了坚实的基础;退休以后,仍然十分关注期刊的进展乃至全国的改革发展和统一大业。编辑部的同志决心继承和发扬老一辈艰苦创业的优良传统,不断开拓进取,继续努力办好《金属热处理》杂志,更好地为我国热处理行业技术进步做出贡献。
陈 洵先生是清华大学机械系1950届学人,今年适逢50周年纪念,真是喜上加喜,大家都为老先生祝福,衷心祝愿他老人家健康长寿!
(本刊记者报道)
综述
激光熔覆层开裂问题的研究现状
祝柏林,胡木林,陈 俐,谢长生
(华中理工大学材料学院,湖北武汉430074)
摘要:分析了激光熔覆层应力的产生和分布状态,描述了熔覆层裂纹的形成和形貌,归纳了目前抑制裂纹产生的方法。对解决熔覆层开裂问题提出了一些建议。
关键词:激光熔覆;开裂;残余应力;凝固裂纹中图分类号:TG 156199 文献标识码:A 文章编号:025426051(2000)0720001204
R esearch Status of Cracking in Laser Cladding Layer
ZHU Bai 2lin ,HU Mu 2lin ,CHEN G Li ,XIE Chang 2sheng
(Institute of Material Engineering ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China )
Abstract :In this paper ,producing and distribution of stresses in laser cladding layer were analyzed.Then ,forming and morphology of cracks in laser cladding layer were described and the suppressing method of cracking at present was summarized.S ome suggestions of re 2solving the problem of cracking in laser cladding layer were propounded.K ey w ords :laser cladding ;cracking ;residual stress ;solidify crack
作者简介:祝柏林(1977—),男,湖北罗田县人,在读硕士生。联系电话:027*********。
基金项目:本文为国家九五重点科技攻关项目的子项(962A22204205)收稿日期:2000201218
激光表面熔覆技术在工业生产中具有广泛的应用前景,已得到一些实际应用[1]。然而要大范围地生产应用还存在一些问题,其中最棘手的是激光熔覆层的开裂。控制激光熔覆层的开裂对开拓激光熔覆技术的生产应用具有现实意义。
1 激光熔覆层应力的产生和分布状态
111 应力的产生
由于激光熔覆时的快速加热和冷却,凝固过程中不可能有足够的液体金属补充以及在随后的固态冷却收缩过程中受到周围较冷基材束缚,造成的这些应力往往难以得到释放,而一旦释放就会造成裂纹。并且一般而言,熔覆层的收缩率大于受热作用较小的基材,故在熔覆层中形成拉应力。实际上固态金属在冷却过程中还由于相变而引起的组织应力,由于激光熔覆的超快速冷却,使金属表面熔区极不均匀,其冷却速率差异很大,造成各处的体积收缩的极大不同时性,因而热应力的影响占主导地位。
公式σ=E ×
Δα×ΔT /(1-υ)可用于计算由热膨胀系数和温度梯度不同而产生的残余热应力[2]
,其中E 为熔覆层的
弹性模量,
Δα为熔覆层与基材的热膨胀系数之差,ΔT 为熔化温度与室温之差,υ为泊松比。由于熔覆层与基材的物理
性能的较大差异,加上过大的温度梯度,必然会在熔覆层中产生较大的拉应力。
112 应力状态及影响因素
国内外已有许多材料工作者通过不同的手段测定出了激光熔覆的应力分布。J.Hernandez 等曾在文献[3]中报道,在马氏体不锈钢Z10CNDV1222基体上激光熔覆stellite 合金和
Ni 基合金,然后测定了熔覆层横向和纵向的残余应力。图1
所示为测定的残余应力状态图。还有很多学者做过这方面的研究工作[4～9]。例如:A.Frenk [4]测定了在不同基材上采用同种熔覆材料时的残余应力场。M.Plloz 等[5]测定了在低碳钢XC10基材上熔覆Ni 基和Co 基合金时的应力场。而文献
[6]进行了不同的工艺参数时的应力分布。他们测定的应力
曲线类似于图1,只不过是应力的大小和所处的位置有差异。结果也表明激光熔覆层的残余应力状态不仅受熔覆层材料和基材成分的影响,同时它还受许多其它因素的制约,诸如激光熔覆工艺参数。但有一点是人们所共知的,即激光熔覆层的残余应力是拉应力,这也验证了上述的理论分析
。
图1 残余应力分布曲线
(基材为Z10CNDV1222,覆料为stellite )
2 激光熔覆层裂纹的形成与形貌特征
211 裂纹的形成
一般认为激光熔覆层裂纹是在凝固温度附近形成的热裂纹,也称为凝固裂纹,这已有人测定了熔覆层开裂时的温度和通过对裂纹的断口分析进行了验证[10,11]。此类裂纹的形成机理主要是由于凝固温度区间,初生的发达枝晶会相互钩连形成一个结晶固态网,造成枝晶间的液体封闭。此时在应力的作用下,固态晶体本身的变形可强烈发展,晶体间残存的液
体却不易自由流动从而造成枝晶间液态金属凝固收缩时没有足够的液体补充。另外再加上枝晶间组织是在较低温度下结晶的,一些低熔点杂质极易混入其间导致枝晶间开裂敏感性加大。再继续冷却,应力增大,于是就容易在枝晶间开裂而形成裂纹。当应力较大而熔覆层的塑韧性不好时就会形成宏观裂纹,而当应力较小或熔覆层的塑韧性较好时就会形成微观裂纹或不形成裂纹。另外,激光熔覆时的晶体生长方向除了要考虑最大温度梯度外,还由于熔覆时作为现成晶核基底的基材晶粒是各向异性的,这就会造成不同生长方向的共晶体。不同生长方向的共晶组织在快速凝固过程会发生强烈的组织碰撞,碰撞的结果是在不同生长的共晶团界面产生较大的微
应力而生成显微裂纹。如果在熔覆层中存在气孔、硬质相等,这些部位会造成应力集中而导致显微裂纹甚至宏观裂纹的产生。
212 裂纹的形貌特征
激光熔覆的残余拉应力是一个三维应力场,其中沿激光扫描方向的残余拉应力最大[12],故单道激光熔覆时裂纹多为垂直于激光扫描方向,并且裂纹间呈平行分布。多道搭接激光熔覆中由于残余应力的相互叠加,熔覆层开裂更敏感。文献[3]报道多道搭接激光熔覆时,覆层上的裂纹有呈网状分布的,也有主裂纹带有分支裂纹的情况。另外几乎所有表面宏观裂纹均穿透整个熔覆层,热影响区一般难见到裂纹[13]。但冯志刚等[14]的研究报道表明:球墨铸铁激光熔覆时在热影响区发现了裂纹。宋武林[11]将铁基自熔合金粉末采用预置法熔覆于45钢表面。在多道搭接熔覆层中在第一道的裂纹走向几乎垂直激光扫描方向,但在随后的几道中裂纹逐渐向激光扫描方向偏转,整个裂纹与激光扫描方向成一<90°的锐角方向扩展,随着熔覆道次的增加,该角越来越小,并且裂纹走向几乎平行分布。
以上所述是我们直接观察到的裂纹,也就是宏观裂纹。如果对熔覆层进行微观分析,就会发现熔覆层存在着显微裂纹。显微裂纹实际上就是裂纹源,在某种情况下扩张而成宏观裂纹。宋武林[11]对上述铁基合金激光熔覆层进行SEM 高倍观察,结果发现熔覆层内主要有如下三种显微裂纹:熔覆层与基材的微孔洞以及由其引发的裂纹;熔覆层组织中共晶面间的裂纹;熔覆层中夹杂物与基材边界处的微裂纹。对于金属陶瓷激光熔覆涂层中裂纹一般沿着粘结金属的枝晶方向扩展,扩展途中如遇到碳化物颗粒则穿过它而未发现绕过碳化物颗粒扩展的裂纹,最后裂纹一般终止于粘结金属中[15]。但
同时文献[15]中发现当碳化物含量较高时,也有少量裂纹终止于碳化物颗粒处。
3 抑制熔覆层开裂的方法
311 调整应力状态,尽可能降低拉应力
31111 预热和熔覆后续处理 对熔覆的基体材料进行一定
温度的预热,将会有效地降低温度梯度,降低热应力,有利于抑制熔覆层裂纹产生。R.Dekumbis [7]在马氏体不锈钢
X20Cr13和奥氏体不锈钢X2CrNiMo1812两种基材上分别激
光熔覆Stellite6合金,并分别进行了预热与不预热试样中激光熔覆层残余应力的测定。其结果表明基材在激光熔覆前进行预热对减少熔覆层中的残余拉应力是有效的。1988年K.
P.Cooper [16]对预热温度的影响进行了研究。以Inconel 625
为基材,熔覆粒度为45～75
μm 的WC 。研究结果表明预热可以避免裂纹的产生。他们认为熔池中的双相材料凝固时,WC 颗粒对基底材料产生静液压力而使残余拉应力减小。预热对防止激光熔覆层的开裂是一种十分有效的方法,但同时也降低了生产效率。我们也可以看出预热的实质是降低其温度梯度,所以如果在满足使用性能要求上适当降低熔覆材料的熔点,这对抑制熔覆层的开裂无疑是有利的。
激光熔覆后进行后续处理的目的是降低或消除其残余应力,这可以避免熔覆层在使用过程中由于外界因素的诱导而
产生裂纹。文献[7]中进行了退火与不退火试样中激光熔覆层残余应力的测定,结果表明当基材具有较低的热膨胀系数时,冷到室温时会在熔覆层中产生比原来更大的拉应力。相反,当熔覆层有较低的热膨胀系数时,退火后熔覆层中产生较大的压应力,而压应力在许多情况下是有益的。可见退火处理对消除激光熔覆层的残余拉应力不能一概而论,只有对那些熔覆材料具有较低热膨胀系数的熔覆系统才有益。除退火外,尚丽娟[17]认为进行中温回火可以消除微观偏析,降低微观应力。
31112 降低熔覆层的热膨胀系数 激光熔覆层中产生拉应力的重要的原因之一是熔覆合金与基材的热膨胀系数的差异,所以合理选择热膨胀系数小于或等于基材热胀系数的熔覆合金是一种减少熔覆层残余拉应力,减小其开裂敏感性的有效方法之一。从R.Dekumbis在文献[7]中的试验结果可以看出由于stellite6合金的热膨胀系数小于X2CrNiMo1812而大于X20Cr13,从而在基材为X2CrNiMo1812上熔覆的残余应力明显小于在基材X20Cr13上熔覆的。尚丽娟在文献[18]中也开展了这方面的研究,但研究结果没有什么进展。从材料的物理性能入手应该是大有作为,但同时由于材料的物理性能的数据并不全,从这方面入手也是困难的。
312 添加合金元素,提高熔覆层抗开裂能力
31211 合金化增加韧性相 对激光熔覆层通过添加某种或几种合金元素,在满足其使用性能的基础上,增加其韧性相,提高覆层的韧性,对抑制其热裂纹的产生是一种有效的方法。
A.N.Grezev等[19]曾在Ni2Cr2B2Si合金中分别加3%(质量分数)的FeV、Fe Ti、FeSi合金,结果发现其激光熔覆层中韧性相γ相有了明显的增加,同时熔覆层开裂敏感性显著下降。文献[20]中也提及在2Cr13基材上激光熔覆Fe基合金时,随其中Ni含量的增加,熔覆层塑、韧性提高,其开裂敏感性明显下降。宋武林的研究[11]也表明Fe基合金中加入Ni、Co能降低合金熔覆层的开裂敏感性。这主要是Ni使熔覆层组织中韧性相γ的含量增加,同时熔覆层组织将由共晶组织向非共晶组织变化,而树枝状非共晶组织可以降低激光熔覆层开裂敏感性。宋武林在文献[21]中的研究还表明:随Ni含量的变化,覆层搭接区的结晶方向发生了变化而导致裂纹走向与激光扫描方向的夹角减小,直至裂纹消失。由此他进一步提出了通过控制结晶方向来减少覆层开裂敏感性的方法。然而通过合金化提高熔覆层韧性来抑制覆层开裂,亦会有一些副作用。其中最明显是覆层的硬度下降,降低了熔覆层的使用性能。另外,从文献中我们看到加入一些元素(如稀土元素)可以细化熔覆层的组织[22],组织细化能够提高材料的强韧性,对防止熔覆层开裂应该是有利的,但至今未见详细报道。31212 合金化改变组织状态 激光熔覆层热裂纹与焊接热裂纹有许多相似之处。对于Ni、Cr不锈钢的焊接来说,已有一个较为传统的理论,那就是将合金钢焊缝中单纯的γ相,通过调整Cr、Ni含量,使焊缝组织中存在γ+δ两相有利于减少裂纹的产生。这主要是因为δ相相对有害夹杂如P、S有更大的固溶度,大大减小原来有害夹杂物P、S在晶界处的偏析,从而减小由于夹杂偏析所造成的热裂倾向。其次是δ相的分散存在可使γ相的枝晶发展受到限制,从而起到一定细化组织和打乱枝晶方向性的作用,并造成晶界面积的增大,夹杂分布也将更均匀分散[23]。文献[24]中就是按照这一思路,选用常用的WF311铁基自熔合金为基本熔覆材料(成分为Fe66Cr20Ni10B2Si2),在此基础上添加不同的Cr金属以改变熔覆层的Cr eq/Ni eq。结果表明熔覆层组织结构的最大变化是随Cr的增加,δ相将从无到有并逐渐增加,同时熔覆层的开裂敏感性出现先降后升的现象。当Cr eq/Ni eq为115时,δ2Fe 为5%～8%时,熔覆层抗裂能力最强。可见,适当借鉴用于其它工艺防裂纹的方法将是有效的。
313 优化工艺方法和参数尽可能减少熔覆层开裂激光熔覆陶瓷涂层,由于熔覆层材料与基体之间在性能上的更大差异,更易导致熔覆层孔洞或变形开裂。1980年J.
D.Ayer等[25]在304不锈钢表面熔覆TiC粉末,碳化物通过细管吹入熔池。试验发现,许多TiC粒子在快速冷却的条件下因应力而产生裂纹,在自由表面及表面以下都发现裂纹,在搭接处更为明显。减小颗粒尺寸或用球状颗粒可以减少裂纹。1987年K.P.Cooper&J.D.Ayer[26]研究了WC粉末激光熔覆后残余应力及过程参数对裂纹的影响,并与TiC作比较。对于碳化物(如WC、TiC等)喷射激光表面处理的开裂问题,文献[27]中提到由碳化物和粘接金属组成的混合物进行激光熔覆是解决这一问题的方法。而且这种涂层的磨损速率与烧结的硬质合金相当。文献[15]着重研究了不同WC含量下,金属陶瓷激光熔覆涂层裂纹率随激光工艺的变化规律,并从金属熔覆层中残余应力大小及分布、粘结金属韧性以及激光熔池中的对流等三个方面对试验结果进行了分析。许伯藩等[28]人采用双层预涂法在低碳钢表面激光熔覆金属陶瓷涂层。第一层为TiC粉+G112基自熔合金粉,再在其上涂覆G112粉。这种工艺方法的实质是复合材料的思路,既能够利用基体的强韧性保证熔覆时不开裂,又可利用其硬质相保证其使用性能。
激光熔覆一般要求满足高的耐磨性、耐蚀性等,与基材的性能往往有较大的差别。正是这种差异造成激光熔覆时熔覆层的开裂。为了解决这种性能差异造成的问题,日本的科学家曾在1987年提出过梯度功能材料的概念[29]。梯度功能材料的原理已被广泛应用,对减少开裂敏感性是有用的。吴萍等[30]人采用硬质相渐变涂覆和激光重熔方法制备一种涂层内硬质相连续变化的“梯度涂层”。获得了无裂纹、无缺陷、结合致密的优质耐磨涂层。文献[31]中提出采用多个送粉器同时送粉调节熔覆层的成分获得无裂纹、无孔洞的Ni2Al和Fe2 Al涂层。A.Frenk等设想在熔覆层与基材之间设置一高塑性的中间层,使其通过塑性变形松弛来自基材与熔覆层由于组织转变、物理性能等不协调而给熔覆层带来的大的拉应力。
A.Frenk等[4]做过有关试验,结果却表明:无论设置一层或二层中间层,熔覆层的拉应力状态并未改变,并且其最大拉应力无论大小和位置都无明显变化。因此认为中间层设置法不能解决激光熔覆中残余应力问题,从而对抑制覆层开裂无效。其原因还有待进一步的研究。
激光熔覆工艺参数与熔覆单位长度内的裂纹数目(n)存在极为复杂的关系,n对工艺参数的变化极为敏感,为此许多材料工作者做了许多工作。例如:A.N.Grezev等在调质态的
E1107钢上熔覆Ni2Cr2B2Si合金,结果发现随扫描速度的增加,熔覆层开裂敏感性明显上升[17]。这说明增加激光熔覆中线能量将有效减少熔覆层的开裂敏感性。然而K.Meham2 meel等的试验结果则说明在多道搭接中,当扫描速度v< 5mm/s时,易出现热裂纹[32],其中主要原因可能与单道搭接中不同的多次加热所造成的。熔覆过程中的工艺参数对激光熔覆层质量的影响是相互关联的,不少材料工作者提出了一些与几个工艺参数相关的综合物理量,其中广为应用的有比能量P/(V s×D),质能量P/V g以及线能量P/V s,对于这些综合物理量对激光熔覆层开裂的影响也有人研究过[10,33]。激光熔覆时工艺参数对开裂敏感性的影响尽管已有许多成熟的研究结果,但缺乏系统性和规律性,并且用来抑制熔覆层的开裂其作用是有限的。
4 结语
由于影响激光熔覆层开裂的因素很多,目前还没有理想的方法加以抑制。要彻底地解决熔覆层的开裂问题,首先应进一步具体分析裂纹的形成过程,估计要涉及到激光熔覆时的温度场分布,熔池的质场分布,包括考虑激光熔覆的工艺参数,也就是要弄清楚工艺参数对熔覆层影响的实质是什么。其次,由于传统的自熔合金粉末作熔覆材料已经暴露出它的一些缺点,例如硅、硼含量过高,却没有考虑其膨胀系数,所以必须建立材料的物理性能数据库并在对裂纹本质充分认识基础上,开发更适合激光熔覆的合金粉末体系。
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