【相关论文】
Studies on high power laser cladding Stellite 6 alloy coatings: Metallurgical quality and mechanical performances
【相关链接】
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.130647
【亮点】
揭示了司太立6涂层热裂纹的形成和消除机理。
成形速率（mm3/s）可以通过高功率激光熔覆得到显著改善。
硬度和强度已达到当前水平，而伸长率（6.9%–8.1%）已大大超过当前水平。
为高功率激光熔覆的大型工件提供了一种新的表面强化策略。
Abstract
本研究系统地研究了粉末进料速率（Vp）对使用20 kW光纤激光器的司太立6合金涂层的质量。结果表明，司太立6涂层中的热裂纹可以通过增加Vp无需预热基板或添加缓冲层。在以下情况下，可以实现厚度为2.34 mm，宽度为20 mm，稀释率为17.3%的单轨涂层，具有无裂纹和致密的微观结构Vp是 90 克/分钟。此外，构建率（172 mm 3/s） 超过最大构建速率（133 mm 3/s） 的低功率激光熔覆。在高功率激光器下，多轨和双层（5.6 mm）的热量积聚导致γ-Co的一部分通过相变形成ε-Co。因此，枝晶区域主要由γ-Co组成，而少量的ε-Co和Cr23C6在树突间区占主导地位。尽管热积聚效应也使涂层底部区域的晶粒变粗，导致力学性能略有下降，但硬度（485 HV–523 HV）和抗拉强度（1131 MPa–1250 MPa）均与低功率激光熔覆相当，断裂伸长率（6.9 %–8.1%）已大大超过目前的3%水平。高功率激光熔覆工艺在提高大型工件（如水力发电机组的流道）的表面改性或再制造效率方面可能发挥重要作用。。
Introduction
电站阀门、燃气轮机叶片、冲击流道和其他工件在长时间的腐蚀和磨损条件下运行，导致由于磨损、剥落和开裂等问题而频繁停机进行维护。因此，探索高效、方便、环保的表面改性技术，以延长这些工件的使用寿命势在必行。常用的技术有渗碳、热喷涂、堆焊熔覆、激光淬火、激光冲击强化、激光熔覆等，其中激光熔覆技术因其热输入小、稀释率低、微观结构密度高、粘接力强等特点，在工业领域越来越受到关注涂层与基材之间的强度，以及方便调整涂层成分、厚度和性能。
一般来说，提高成型率的方法包括提高扫描速度、激光功率、送粉率等。提高扫描速度更适合旋转零件（卷筒）。增加激光功率似乎比其他方法更适用和实用，因为它会导致更高的热量输入，并且可以熔化更多的粉末。然而，到目前为止，关于高功率（>10 kW） 激光熔覆用于冶金质量和机械性能的报道很少，因为数十 kW 光纤激光器直到最近几年才进入工业应用。
司太立6合金因其优异的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温氧化性而被广泛用于激光熔覆。本研究重点探讨了高功率（>10 kW）激光熔覆司太立6合金无需预热基板或添加缓冲层的应用可能性。通过改变粉末进料速率，研究涂层缺陷的变化，比较采用最佳加工参数制备的涂层与传统低功率激光熔覆技术制备的涂层的微观结构和力学性能。他们的研究旨在提供一种通过高功率激光沉积司太立6合金涂层的新方法，以显着提高熔覆效率，从而可用于修复和/或再制造核心机械部件。
Experimental procedures
本研究中使用的司太立6合金粉末采用真空雾化工艺制备，如图1（a）所示。此外，图1（b）说明了粉末的尺寸分布，揭示了从35μm到220μm的范围，其中DV（50）值为 103 μm。在进行激光熔覆实验之前，将粉末在100°C下真空烘箱干燥2小时以消除水分含量。用于实验的基板材料为0Cr13Ni5Mo，尺寸为200 mm×200 mm×40 mm（长×宽×厚）。
本实验中使用的高功率激光熔覆平台示意图如图2（a）所示。该系统主要由一台20kW光纤激光器（RFL-C20000TZ，武汉瑞库光纤激光技术有限公司）、一台送粉机（武汉福库纳吉激光有限公司）、一台侧轴送粉熔覆头（江苏莱特激光科技有限公司）、一台控制器和一台三轴数控机床组成。熔覆头和送粉喷嘴的水平运动由数控机床驱动，实现激光熔覆工艺，如图2（b）所示。在激光熔覆实验中，使用20 mm× 2 mm激光光斑，如图2（b）所示。使用表2中列出的加工参数在基板上进行单轨激光熔覆实验。最佳送粉速率的选择基于涂层中不存在裂纹（宏观和微观裂纹）和未熔融缺陷（涂层区域和界面区域）。随后，通过优化的粉末进料速率制备多轨多层涂层。
Results and discussion
当粉末进料速率从50 g/min变为100 g/min时，单轨涂层的宏观形貌如图3所示（a1）-（f1），说明所有涂层的光滑和饱满的形状，没有任何明显的凹坑缺陷。在50 g/min和60 g/min的粉末进料速率下渗透测试缺陷的形态如图3所示（a2）-（b2），其中几条裂纹沿涂层表面的包层方向（由红色区域表示）分布。相反，在70 g/min至100 g/min的粉末进料速率范围内，单粘涂层表面没有裂纹缺陷，如图3（c 2）-（f2）所示。因此，还需要横截面试样来评估涂层内潜在的内部缺陷。图3（a3）-（f3），其中稀释区的分界线清晰可见。值得注意的是，图3（a3）-（b3）揭示了贯穿涂层和稀释区的裂纹缺陷，而图3（c）3）-（d3）在涂层内表现出微小的裂纹。相反，在图3（e）中没有观察到明显的缺陷3）-（f3).单轨涂层的截面尺寸示意图如图3（g）所示。
为了进一步分析涂层内的微观缺陷，在标准抛光程序后用OM观察金相试样（图4）。图4（a1）-（f1）和图4（a2）-（f2）分别描绘了涂层区域和界面区域的OM图像。根据图4（a1）-（d1）和图4（a2）-（d2），当进粉速率从50 g/min增加到80 g/min时，涂层内部裂纹的长度和宽度均减小，涂层与基材的界面区域没有观察到明显的缺陷。根据图4（e1）和图4（e2），当进粉速度为90 g/min时，涂层内部裂纹完全消失，界面区域无缺陷。然而，当采用100 g/min的粉末进料速率时，在涂层区域及其与基材的界面处发现了一些未熔融的缺陷，如图4（f1） 和 （f2) 所示。因此，该工艺参数的最佳粉末进料速率为90 g/min，通过该速率可以制备厚度约为2.34 mm，宽度为20 mm的单轨涂层。该涂层的稀释率为17.3%，而构建速率达到172 mm3/s。此外，在这些优化的高功率包层加工参数下实现的构建速率超过了 （3.0 mm3/s − 133 mm3/s）通过传统的低功率熔覆工艺（350 W–3400 W）达到类似材料，如表3所示。
OM捕获的涂层内部裂纹形态如图5（a）所示，显示裂纹长度从600μm变化到800 μm。随后，通过EBSD对图5（a）中的裂纹区域进行了表征。如图5（b）和图5（c）所示，可以明显看出，包层内的裂纹沿着柱状晶体的晶界逐渐扩展，具有热裂纹的典型症状。
通过选择无裂纹或未熔断缺陷的单轨涂层，确定了90 g/min的送粉速率作为最佳激光熔覆加工参数。因此，用相同的参数制造了多轨和双层涂层，随后分析了涂层的微观结构。图7（I）显示了微观结构分析试样的采样位置分布，涂层顶部、中部、底部和界面区域的微观结构分别如图7（a）-（d）所示。很明显，微观结构从平面晶体逐渐过渡到孔状晶体、柱状晶体、树枝状晶体和等轴晶体，从涂层底部的界面区域到顶部区域。沉积方向的微观结构形态特征受G（温度梯度）和R（凝固速率），作为微观结构形态的控制因素。
晶界在顶部、中部和底部区域的分布如图8所示（a3）-（c3).可以看出，这些区域的低角晶界（LAGBs，2°-15°）的百分比分别为23.4%、21.8%和16.0%。LAGBs百分比从上到下逐渐下降是显而易见的，这与观察到的位错密度降低的趋势一致。这种现象可归因于由于 LAGB 减少，位移在运动过程中经历的扭曲和缠结的发生减少。
从多轨和双层涂层中提取硬度测试试样，并沿着图12（a）中黑色箭头指示的方向系统地评估涂层的硬度值。如图12（b）所示，曲线显示硬度从顶部的523 HV逐渐降低到底部的485 HV。此外，考虑基体平面以上涂层部分（5.6 mm）内的不同区域，顶部、中部和底部区域的平均硬度值分别为521 HV、504 HV和489 HV。
拉伸试验结果如表4所示，揭示了5.6 mm厚涂层的极限抗拉强度、屈服强度和断裂伸长率从上到下逐渐降低。值得注意的是，与顶部和中间区域相比，包层的底部区域表现出明显较差的拉伸性能。图14显示了一组拉伸试样的应力-应变曲线，图示为拉伸试样的断裂试样。与表4中引用的低功率激光熔覆工艺（1800 W）制备的司太立6涂层相比，本研究中通过高功率工艺制备的涂层的抗拉强度和屈服强度略低，但断裂伸长率明显较高。较高的伸长率可能归因于涂层中具有FCC结构的Co含量升高，因为具有FCC结构的Co基质可以保留司太立合金的延展性。
Conclusions
（1）通过采用高功率激光熔覆技术，可以通过增加Vp。因此，宽度为 20 mm、厚度为 2.34 mm 的单轨涂层可以在Vp 90 g/min，在涂层中找不到明显的裂纹和未熔断的缺陷。然而，激光功率不足以熔化粉末，并且当Vp达到 100 克/分钟。构建速度（172 mm3/s） 以最优Vp（90 g/min）超越了传统的低功率激光熔覆技术。
（2）在高粉末激光熔覆工艺下，熔池的凝固速率和冷却速率降低，导致部分γ-Co通过相变形成ε-Co。因此，枝晶区域主要由γ-Co组成，而少量的ε-Co和Cr23C6在树突间区占主导地位。
（3）高功率激光熔覆技术制备的涂层硬度（485 HV–523 HV）基本达到低功率激光熔覆技术达到的水平。与低功率激光熔覆涂层的拉伸性能相比，虽然极限拉伸强度（1131 MPa–1250 MPa）和屈服强度（849 MPa–933 MPa）略有下降，但断裂伸长率（6.9 %–8.1 %）已超过现行标准。
（4）在试验条件下（p= 12 KW，Vc= 6.67 mm/s，Vp= 90 g/min），高功率激光熔覆技术不仅显著提高了成型率，而且生产出具有优异机械性能的涂层，尤其是塑料指数，比现有水平高出 2 倍。因此，高功率激光熔覆工艺在钴基合金上的成功应用为大型工件的表面强化或再制造提供了一种高效便捷的解决方案。
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来自：AM home 增材制造之家
长三角G60激光联盟陈长军转载！
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