【正文】 護氣體流速適中時，保護氣體的氣壓，會促使激光熔池金屬液滴能夠在基材上均勻鋪展。但保護氣體流速過大，會吹散預置粉末，金屬液滴被吹響四周導致熔覆層中心成型差，熔覆層厚度低且不均勻。試驗表明，在Ni基激光熔覆過程中，保護氣體的最佳流速是1215L/min。 工藝參數對稀釋率的影響在激光熔覆時，基材金屬在熔覆區(qū)金屬中所占的比例，稱為稀釋率。稀釋率有兩種計算方法，一種是按熔覆層的實測值計算，另一種是按照熔覆層橫截面的測量面積計算，前者被稱為真實稀釋率；后者被稱為名義稀釋率，對熔覆層工藝參數的宏觀控制有重要作用。名義稀釋率的表示方法：()公式中，A1是基材熔化區(qū)截面積，A2是熔覆區(qū)截面面積，由于A1與A2的比值主要與基材熔深h與熔覆區(qū)高度H有關，因此可以將上式簡化為： ()為保證基材與熔覆區(qū)金屬有良好的冶金結合，稀釋現(xiàn)象必須存在的。同時，稀釋現(xiàn)象的存在使得基材與熔覆區(qū)的結合有合金成分梯度存在有一定的應力過渡作用，緩解了激光熔覆應力，降低了裂紋傾向。較大的稀釋率則降低了熔覆層優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性。因此，在保證熔覆區(qū)與基材有良好冶金結合的狀況下，可通過控制稀釋率來保持熔覆層的性能。目前，國內外研究中使用的稀釋率一般控制在815%[7273]。(a)Influence of scanning speed on dilution rate (b) Influence of power on dilution rate 激光工藝參數對稀釋率的影響Fig Influence of laser parameters on dilution rate。在掃描速度、光斑直徑等參數一定的條件下，熔覆區(qū)稀釋率隨掃描速度Vs的增加而降低，假設合金粉末的熔化量一定，則影響熔覆區(qū)稀釋率的因素是基材熔化量。掃描速度越快，基材與激光的作用時間越短，因而基材熔化量越少，稀釋率越低，反之，掃描速度Vs減慢，則熔覆區(qū)被嚴重稀釋，熔覆層質量下降。當其他工藝參數一定時，增加激光功率，則稀釋率增加，試驗表明，當激光功率在24002800W之間時，熔覆層的稀釋率既能保證熔覆層的性能，又能保證熔覆區(qū)與基材的良好結合。 搭接率對多道搭接熔覆層的影響Overlapping rate：(a)10%；(b)30%；(c)40% 搭接率對熔覆層表面成型的影響 Influence of overlapping ratio on surface formation of cladding layer(overlapping ratio:a10%。b30%。c40%)為滿足工業(yè)應用，通過多道搭接技術制備大面積熔覆層的研究已目前激光熔覆技術的研究內容之一。搭接率是研究多道搭接技術的重要參數，搭接率的選擇對熔覆層的表面成型和組織有重要影響。CO2氣體激光器的激光束能量分布的特點是中間高、邊緣低，對激光熔覆搭接率的選擇就有較為嚴格的要求。%、30%、40%的熔覆層表面成型圖。搭接率過低，激光束的熱輸入不足以使粉末完全熔化造成熔覆區(qū)組織的連續(xù)性和致密性不好，在周圍拉應力的作用下，搭接區(qū)易產生孔洞、裂紋等缺陷；而搭接率過高，預置法制備的熔覆層表面凹凸不平，激光熱輸入高，熔覆區(qū)組織粗大。試驗表明，搭接率取值范圍在25%30%時，得到的熔覆層表面平整，組織性能較好，本文最終采用的搭接率為30%。，降低裂紋、氣孔、層間結合不良等缺陷的傾向，通過正交試驗優(yōu)化后的工藝參數為：激光功率為2500W、掃描速度300mm/min、圓形光斑直徑4mm、保護氣體流速15L/min、預置層厚度1mm。，熔覆層稀釋率隨掃描速度的增加而降低，隨激光功率的增加而上升。，研究了搭接率對多道搭接熔覆層的影響。發(fā)現(xiàn)當搭接率過低時，熔覆層搭接區(qū)易出現(xiàn)孔洞和裂紋；當搭接率過高時，熔覆層表面凹凸不平，影響熔覆層的應用性。本文最終采用的搭接率為30%。第四章 Ni60A熔覆層的組織與性能Ni60A粉末是屬于NiCrSiBC系的自熔性合金粉末，該粉末的熔點低，固液相溫度區(qū)間寬，對碳鋼、低合金鋼、鑄鐵及鎂、銅等材料與陶瓷顆粒有非常好的潤濕性，其熔覆層具有較好的耐腐蝕和抗氧化，非常適合作為制備耐磨耐腐蝕熔覆層的復合粉末的基體材料。本章研究了Ni60A熔覆層的物相、組織、成分及耐磨耐腐蝕性能。 Ni60A單道熔覆層組織的研究 Ni60A單道熔覆層的物相組成 Ni60A熔覆層X射線衍射圖譜 Xray diffraction pattern of Ni60A cladding layer，Ni60A熔覆層主要由γ(Ni,Fe)、CrB、Cr7CCr3CCr23CNi3B等物相構成。 4.. Ni60A單道熔覆層的凝固特征熔覆層的分為熔覆區(qū)、界面區(qū)和熱影響區(qū)。熔覆區(qū)是Ni60A粉末在激光熔覆過程中熔化、凝固形成；界面區(qū)是由Ni60A粉末溶化后的金屬液與微熔的基材混合后凝固形成的；熱影響區(qū)是液固界面下的基材在激光熔覆過程中受熱影響而發(fā)生固態(tài)相變的部分。(a)Microstructure at bottom (b) Microstructure at upper Ni60A單道熔覆層金相組織 OM micrstruceture of Ni60A cladding layer(a)、(b)分別是熔覆層中下部和上部的金相組織照片。從圖上可以看出，Ni60A熔覆區(qū)上部組織為細密的等軸晶；在熔覆區(qū)中部一般為細小的樹枝晶；胞狀晶出現(xiàn)在熔覆區(qū)中下部；熔覆區(qū)下部則有柱狀晶生成；而熔覆區(qū)與熱影響區(qū)中間的界面區(qū)則由平面晶構成。在熔覆層中，由平面晶構成的界面區(qū)表現(xiàn)為一條寬度約為15μm白亮的帶，該區(qū)是微熔的基體與熔化的合金粉末所形成，保證了基體與熔覆區(qū)良好的冶金結合。 熔池凝固時G/R對組織生長形態(tài)的影響 Affec of G/R on growth patterns of organization when the puddle freezing通過對比熔覆層不同部位的金相組織，發(fā)現(xiàn)熔覆層組織具有定向凝固特征，其生長方向垂直于結合界面并與熱擴散方向相反。，由魏侖[74]的凝固理論得知，熔覆層凝固組織形貌是由溫度梯度與凝固速度的比值G/R所決定的，熔池從開始凝固到凝固結束，R一直變大，而G一直變小，導致熔覆層的組織呈現(xiàn)定向凝固的特征。當熔池開始凝固時，熔池底部金屬與基材的溫度梯度很大，而凝固速度R非常小，趨近于零，G/R非常大，凝固首先在基體上通過外延生長的方式生長出一層無晶核的平面晶，即組織觀察時的白亮帶，這條帶就是熔池繼續(xù)凝固時的液固界面。由于激光行走的速度很快，熔池存在時間短，凝固速度R變快，而液體結晶時不再接觸基材而是溫度較高的平面晶，溫度梯度G減小，G/R變小，熔池過渡到以柱狀枝晶和胞狀晶的方式生長。但熔池存在的時間短，柱狀枝晶和胞狀晶來不及長得粗大就完成結晶。此時，熔池中金屬結晶時就開始以細小樹枝晶的形式生長。當熔池最后結晶時，液態(tài)金屬與基材之間隔著非常厚的固體層，而固體層與液態(tài)金屬的溫度梯度相差非常小，隨著熔池熱量向空氣中流失，液態(tài)金屬凝固速度變快，G/R非常小，以及熔覆過程中上浮到熔池表面的熔渣和雜質具有增加形核核心的作用，最后生成非常細小的等軸晶。 Ni60A熔覆層的顯微組織及成分分析，熔覆區(qū)與基材熱影響區(qū)之間的結合界面存在著由平面晶構成的白亮帶，白亮帶上方的熔覆區(qū)不同部位組織有著共同的特點，都是在初生的γ(Ni,Fe)枝晶周圍離散分布著塊狀、條狀、針狀、片層狀、羽毛狀、樹枝狀等不同形狀的碳化物、硼化物共晶組織。Ni基合金對Cr7CCr3CCr23C6等碳化物的附著功很大，Ni基合金能與CrB、Cr7CCr3CCr23CNi3B等形成有限固溶體和共晶合金[44]。(c)。(a) Microstructure at upper (b) Microstructure at mediate (c) Microstructure at bottom 熔覆層微觀組織形貌 Microstructural morphology of cladding layers(wt%，不含B、C元素) Regional element distribution in the cladding layer by EDS(wt%) 測試元素位置 NiFeSiCrTotal樹枝晶晶軸(A)100枝晶間區(qū)(B)100熔覆區(qū)底部(C)100界面區(qū)(D)100熱影響區(qū)頂部(E)100，熔覆區(qū)枝晶主要是由Ni、Fe元素形成的奧氏體，少量的Cr、Si元素固溶其中；枝晶周圍的共晶組織中富含Cr，Ni元素的含量較少，判斷主要由于Cr的碳化物、硼化物沿晶界析出有關。，Si元素主要分布在γ(Ni,Fe)枝晶的晶界；而Cr元素主要分布在γ(Ni,Fe)枝晶的晶間區(qū)域，結合XRD物相分析可知，該區(qū)是CrB、Cr7CCr3CCr23C6等增強相的主要分布位置；Ni元素則作為γ枝晶的主要構成元素，主要分布在γ枝晶中間，在枝晶間的晶間區(qū)域的分布量很少。 熔覆層元素的面分布圖 Face distribution maps of elements in the cladding layer由熔覆區(qū)到基材熱影響區(qū)，F(xiàn)e元素的含量逐漸升高，Ni、Cr、Si、B元素的含量逐步降低，說明激光熔覆過程中，基材中大量的Fe元素進入到熔覆層組織中，對熔覆層底部組織有一定的稀釋。界面區(qū)主要是由Fe元素混合少量的Cr、Ni元素構成。在激光熔覆過程中，少量的Cr元素穿過界面區(qū)擴散到基材熱影響區(qū)，而Ni、Si元素擴散則非常微弱。元素的擴散與分布必然會影響到熔覆層的性能。，熔覆區(qū)下部由于Fe元素過多的參與到γ枝晶及枝晶間區(qū)共晶組織中，熔覆區(qū)的顯微硬度較中上部呈梯度下降的趨勢，而界面區(qū)至基材熱影響區(qū)的硬度呈梯度下降。這種硬度的分布趨勢使得熔覆區(qū)到基材之間有較好的韌性，能有效緩和界面區(qū)界面的應力，降低熔覆層的開裂傾向。 熔覆層不同部位的顯微硬度分布 Microhardness distribution of the cladding layer in different zone Ni60A多道熔覆層的組織的研究 Ni60A多道熔覆層的物相組成本文在研究單道熔覆層的基礎上，以30%的搭接率制備了多道搭接熔覆層。參考文獻 Ni60A多道搭接熔覆層X射線衍射圖譜 Xray diffraction pattern of Ni60A multipass overlap cladding layer，多道搭接熔覆層與單道搭熔覆層的物相種類基本一致，多道搭接熔覆層除了γ(Ni,Fe)、CrB、Cr7CCr3CCr23CNi3B等相外，還存在有序固溶體FeCr新相生成，說明熔覆層的物相組成不僅取決于基材與合金粉末的成分，也取決于搭接帶來的熱處理過程。 Ni60A多道熔覆層的組織和成分的研究 多道搭接熔覆層的微觀組織形貌 Microstructural morphology of multipass overlap cladding layer，多道搭接熔覆層搭接區(qū)與非搭接區(qū)的組織變化極為明顯。單道熔覆層的微觀組織是在在初生的γ(Ni,Fe)枝晶周圍離散分布著塊狀、條狀、針狀、片層狀、羽毛狀、樹枝狀的碳化物、硼化物共晶組織；而多道搭接熔覆層的非搭接區(qū)由于受到后續(xù)熱處理的結果，而導致熔覆層組織轉變成片狀、塊狀和長條狀γ枝晶組織，枝晶組織變得粗大。搭接區(qū)共受到兩次激光束照射，當前一道激光束行走完成后，已經凝固的搭接區(qū)熔覆層在受到第二次激光照射時還會發(fā)生一次熔凝過程，即第二道激光束起到了激光重熔的作用，導致搭接區(qū)的組織較非搭接區(qū)細密。同時，由于受到兩次激光束的照射，基材與熔覆區(qū)的元素擴散要比非搭接區(qū)更為劇烈，導致搭接區(qū)白亮帶的厚度也比非搭接區(qū)增加。由于受到搭接區(qū)二次熱循環(huán)的影響，可以看出搭接區(qū)與非搭接區(qū)組織中間的組織在受到二次激光熱循環(huán)而枝晶長大時，其長大逆著非搭接區(qū)而朝向搭接區(qū)方向發(fā)散生長。搭接不僅影響著熔覆層的顯微組織結構，也導致熔覆層元素的重新分配。，受搭接影響，搭接區(qū)受到基材的二次稀釋；而非搭接區(qū)則與基材之間則存在比單道熔覆層更為劇烈的元素擴散。(wt%，不含B、C) Element distribution in multipass overlap cladding layer by EDS(wt%，excluding B、C) 測試元素位置 NiFeSiCrTotal樹枝晶晶軸(A)100枝晶間區(qū)(B)100Fe、Cr固溶體(C)100熔覆區(qū)底部(D)100界面區(qū)(E)100熱影響區(qū)頂部(F)100 Ni60A多道搭接熔覆層元素的線分布圖 Linescanning maps of element distribution in multipass overlapping N