【相關論文】
Studies on high power laser cladding Stellite 6 alloy coatings: Metallurgical quality and mechanical performances
【相關連結】
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.130647
【亮點】
揭示了司太立6塗層熱裂紋的形成和消除機理。
成形速率（mm3/s）可以通過高功率雷射熔覆得到顯著改善。
硬度和強度已達到目前水準，而伸長率（6.9%–8.1%）已大大超過目前水準。
為高功率雷射熔覆的大型工件提供了一種新的表面強化政策。
Abstract
本研究系統地研究了粉末進料速率（Vp）對使用20 kW光纖雷射器的司太立6合金塗層的品質。結果表明，司太立6塗層中的熱裂紋可以通過增加Vp無需預熱基闆或添加緩沖層。在以下情況下，可以實作厚度為2.34 mm，寬度為20 mm，稀釋率為17.3%的單軌塗層，具有無裂紋和緻密的微觀結構Vp是 90 克/分鐘。此外，建構率（172 mm 3/s） 超過最大建構速率（133 mm 3/s） 的低功率雷射熔覆。在高功率雷射器下，多軌和雙層（5.6 mm）的熱量積聚導緻γ-Co的一部分通過相變形成ε-Co。是以，枝晶區域主要由γ-Co組成，而少量的ε-Co和Cr23C6在樹突間區占主導地位。盡管熱積聚效應也使塗層底部區域的晶粒變粗，導緻力學性能略有下降，但硬度（485 HV–523 HV）和抗拉強度（1131 MPa–1250 MPa）均與低功率雷射熔覆相當，斷裂伸長率（6.9 %–8.1%）已大大超過目前的3%水準。高功率雷射熔覆工藝在提高大型工件（如水力發電機組的流道）的表面改性或再制造效率方面可能發揮重要作用。。
Introduction
電站閥門、瓦斯輪機葉片、沖擊流道和其他工件在長時間的腐蝕和磨損條件下運作，導緻由于磨損、剝落和開裂等問題而頻繁停機進行維護。是以，探索高效、友善、環保的表面改性技術，以延長這些工件的使用壽命勢在必行。常用的技術有滲碳、熱噴塗、堆焊熔覆、雷射淬火、雷射沖擊強化、雷射熔覆等，其中雷射熔覆技術因其熱輸入小、稀釋率低、微觀結構密度高、粘接力強等特點，在工業領域越來越受到關注塗層與基材之間的強度，以及友善調整塗層成分、厚度和性能。
一般來說，提高成型率的方法包括提高掃描速度、雷射功率、送粉率等。提高掃描速度更适合旋轉零件（卷筒）。增加雷射功率似乎比其他方法更适用和實用，因為它會導緻更高的熱量輸入，并且可以熔化更多的粉末。然而，到目前為止，關于高功率（>10 kW） 雷射熔覆用于冶金品質和機械性能的報道很少，因為數十 kW 光纖雷射器直到最近幾年才進入工業應用。
司太立6合金因其優異的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和耐高溫氧化性而被廣泛用于雷射熔覆。本研究重點探讨了高功率（>10 kW）雷射熔覆司太立6合金無需預熱基闆或添加緩沖層的應用可能性。通過改變粉末進料速率，研究塗層缺陷的變化，比較采用最佳加工參數制備的塗層與傳統低功率雷射熔覆技術制備的塗層的微觀結構和力學性能。他們的研究旨在提供一種通過高功率雷射沉積司太立6合金塗層的新方法，以顯着提高熔覆效率，進而可用于修複和/或再制造核心機械部件。
Experimental procedures
本研究中使用的司太立6合金粉末采用真空霧化工藝制備，如圖1（a）所示。此外，圖1（b）說明了粉末的尺寸分布，揭示了從35μm到220μm的範圍，其中DV（50）值為 103 μm。在進行雷射熔覆實驗之前，将粉末在100°C下真空烘箱幹燥2小時以消除水分含量。用于實驗的基闆材料為0Cr13Ni5Mo，尺寸為200 mm×200 mm×40 mm（長×寬×厚）。
本實驗中使用的高功率雷射熔覆平台示意圖如圖2（a）所示。該系統主要由一台20kW光纖雷射器（RFL-C20000TZ，武漢瑞庫光纖雷射技術有限公司）、一台送粉機（武漢福庫納吉雷射有限公司）、一台側軸送粉熔覆頭（江蘇萊特雷射科技有限公司）、一台控制器和一台三軸數控機床組成。熔覆頭和送粉噴嘴的水準運動由數控機床驅動，實作雷射熔覆工藝，如圖2（b）所示。在雷射熔覆實驗中，使用20 mm× 2 mm雷射光斑，如圖2（b）所示。使用表2中列出的加工參數在基闆上進行單軌雷射熔覆實驗。最佳送粉速率的選擇基于塗層中不存在裂紋（宏觀和微觀裂紋）和未熔融缺陷（塗層區域和界面區域）。随後，通過優化的粉末進料速率制備多軌多層塗層。
Results and discussion
當粉末進料速率從50 g/min變為100 g/min時，單軌塗層的宏觀形貌如圖3所示（a1）-（f1），說明所有塗層的光滑和飽滿的形狀，沒有任何明顯的凹坑缺陷。在50 g/min和60 g/min的粉末進料速率下滲透測試缺陷的形态如圖3所示（a2）-（b2），其中幾條裂紋沿塗層表面的包層方向（由紅色區域表示）分布。相反，在70 g/min至100 g/min的粉末進料速率範圍内，單粘塗層表面沒有裂紋缺陷，如圖3（c 2）-（f2）所示。是以，還需要橫截面試樣來評估塗層内潛在的内部缺陷。圖3（a3）-（f3），其中稀釋區的分界線清晰可見。值得注意的是，圖3（a3）-（b3）揭示了貫穿塗層和稀釋區的裂紋缺陷，而圖3（c）3）-（d3）在塗層内表現出微小的裂紋。相反，在圖3（e）中沒有觀察到明顯的缺陷3）-（f3).單軌塗層的截面尺寸示意圖如圖3（g）所示。
為了進一步分析塗層内的微觀缺陷，在标準抛光程式後用OM觀察金相試樣（圖4）。圖4（a1）-（f1）和圖4（a2）-（f2）分别描繪了塗層區域和界面區域的OM圖像。根據圖4（a1）-（d1）和圖4（a2）-（d2），當進粉速率從50 g/min增加到80 g/min時，塗層内部裂紋的長度和寬度均減小，塗層與基材的界面區域沒有觀察到明顯的缺陷。根據圖4（e1）和圖4（e2），當進粉速度為90 g/min時，塗層内部裂紋完全消失，界面區域無缺陷。然而，當采用100 g/min的粉末進料速率時，在塗層區域及其與基材的界面處發現了一些未熔融的缺陷，如圖4（f1） 和 （f2) 所示。是以，該工藝參數的最佳粉末進料速率為90 g/min，通過該速率可以制備厚度約為2.34 mm，寬度為20 mm的單軌塗層。該塗層的稀釋率為17.3%，而建構速率達到172 mm3/s。此外，在這些優化的高功率包層加工參數下實作的建構速率超過了 （3.0 mm3/s − 133 mm3/s）通過傳統的低功率熔覆工藝（350 W–3400 W）達到類似材料，如表3所示。
OM捕獲的塗層内部裂紋形态如圖5（a）所示，顯示裂紋長度從600μm變化到800 μm。随後，通過EBSD對圖5（a）中的裂紋區域進行了表征。如圖5（b）和圖5（c）所示，可以明顯看出，包層内的裂紋沿着柱狀晶體的晶界逐漸擴充，具有熱裂紋的典型症狀。
通過選擇無裂紋或未熔斷缺陷的單軌塗層，确定了90 g/min的送粉速率作為最佳雷射熔覆加工參數。是以，用相同的參數制造了多軌和雙層塗層，随後分析了塗層的微觀結構。圖7（I）顯示了微觀結構分析試樣的采樣位置分布，塗層頂部、中部、底部和界面區域的微觀結構分别如圖7（a）-（d）所示。很明顯，微觀結構從平面晶體逐漸過渡到孔狀晶體、柱狀晶體、樹枝狀晶體和等軸晶體，從塗層底部的界面區域到頂部區域。沉積方向的微觀結構形态特征受G（溫度梯度）和R（凝固速率），作為微觀結構形态的控制因素。
晶界在頂部、中部和底部區域的分布如圖8所示（a3）-（c3).可以看出，這些區域的低角晶界（LAGBs，2°-15°）的百分比分别為23.4%、21.8%和16.0%。LAGBs百分比從上到下逐漸下降是顯而易見的，這與觀察到的位錯密度降低的趨勢一緻。這種現象可歸因于由于 LAGB 減少，位移在運動過程中經曆的扭曲和纏結的發生減少。
從多軌和雙層塗層中提取硬度測試試樣，并沿着圖12（a）中黑色箭頭訓示的方向系統地評估塗層的硬度值。如圖12（b）所示，曲線顯示硬度從頂部的523 HV逐漸降低到底部的485 HV。此外，考慮基體平面以上塗層部分（5.6 mm）内的不同區域，頂部、中部和底部區域的平均硬度值分别為521 HV、504 HV和489 HV。
拉伸試驗結果如表4所示，揭示了5.6 mm厚塗層的極限抗拉強度、屈服強度和斷裂伸長率從上到下逐漸降低。值得注意的是，與頂部和中間區域相比，包層的底部區域表現出明顯較差的拉伸性能。圖14顯示了一組拉伸試樣的應力-應變曲線，圖示為拉伸試樣的斷裂試樣。與表4中引用的低功率雷射熔覆工藝（1800 W）制備的司太立6塗層相比，本研究中通過高功率工藝制備的塗層的抗拉強度和屈服強度略低，但斷裂伸長率明顯較高。較高的伸長率可能歸因于塗層中具有FCC結構的Co含量升高，因為具有FCC結構的Co基質可以保留司太立合金的延展性。
Conclusions
（1）通過采用高功率雷射熔覆技術，可以通過增加Vp。是以，寬度為 20 mm、厚度為 2.34 mm 的單軌塗層可以在Vp 90 g/min，在塗層中找不到明顯的裂紋和未熔斷的缺陷。然而，雷射功率不足以熔化粉末，并且當Vp達到 100 克/分鐘。建構速度（172 mm3/s） 以最優Vp（90 g/min）超越了傳統的低功率雷射熔覆技術。
（2）在高粉末雷射熔覆工藝下，熔池的凝固速率和冷卻速率降低，導緻部分γ-Co通過相變形成ε-Co。是以，枝晶區域主要由γ-Co組成，而少量的ε-Co和Cr23C6在樹突間區占主導地位。
（3）高功率雷射熔覆技術制備的塗層硬度（485 HV–523 HV）基本達到低功率雷射熔覆技術達到的水準。與低功率雷射熔覆塗層的拉伸性能相比，雖然極限拉伸強度（1131 MPa–1250 MPa）和屈服強度（849 MPa–933 MPa）略有下降，但斷裂伸長率（6.9 %–8.1 %）已超過現行标準。
（4）在試驗條件下（p= 12 KW，Vc= 6.67 mm/s，Vp= 90 g/min），高功率雷射熔覆技術不僅顯著提高了成型率，而且生産出具有優異機械性能的塗層，尤其是塑膠指數，比現有水準高出 2 倍。是以，高功率雷射熔覆工藝在钴基合金上的成功應用為大型工件的表面強化或再制造提供了一種高效便捷的解決方案。
【相關推薦文章】
Macroscopic morphology and properties of cobalt-based laser cladding layers on rail steel based on pulse shaping
Studies on effect of laser processed stellite 6 material and its electrochemical behavior
來自：AM home 增材制造之家
長三角G60雷射聯盟陳長軍轉載！
同時歡迎參加我們長三角G60雷射聯盟在南京舉辦的第二屆雷射智造在儲能行業中的應用大會（南京，2024年4月23-25）