1 引言

激光熔覆是 20 世紀(jì) 80 年代興起的一種的制造技術(shù)。該技術(shù)集快速制造技術(shù)與表面改性技術(shù)于一體，具有廣闊的應(yīng)用前景；但覆層極易產(chǎn)生裂紋，且其原因多元，難以控制。激光熔覆的大規(guī)模應(yīng)用多受此制約，故而抑制熔覆裂紋的產(chǎn)生成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本文從裂紋的分類(lèi)、形成機(jī)理、應(yīng)對(duì)措施等方面總結(jié)了目前激光熔覆裂紋的研究現(xiàn)狀，以期為激光熔覆技術(shù)的發(fā)展提供有益參考。

2 形成機(jī)理

激光熔覆加工過(guò)程溫度梯度大、能量密度高且非平衡，故而分析激光熔覆裂紋的形成機(jī)理對(duì)于裂紋控制具有積極意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)激光熔覆裂紋萌生與擴(kuò)展的研究，多從以下三方面展開(kāi)：

1）對(duì)金屬材料裂紋萌生與擴(kuò)展的微觀理論進(jìn)行研究，并提出了微裂紋描述方法；

2）對(duì)材料的微觀組織進(jìn)行觀察，分析裂紋產(chǎn)生的機(jī)理；

3）對(duì)材料的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，模擬裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

特別是關(guān)于熱裂紋的研究，諸多學(xué)者皆爭(zhēng)鳴般地提出了許多理論、假設(shè)、判據(jù)，如凝固裂紋理論就有強(qiáng)度理論、回流愈合理論、液膜理論、空穴理論、綜合作用理論等等。此外，裂紋的萌生判據(jù)有 Pellini提出的應(yīng)變判據(jù)、Prokhorov提出的應(yīng)變率判據(jù)等。但可以肯定的是，從其萌生原因來(lái)看，覆層裂紋都是力學(xué)、冶金兩種因素共同作用的產(chǎn)物，無(wú)論是熱裂紋還是冷裂紋，其萌生和擴(kuò)展也都與成形過(guò)程中的應(yīng)力密不可分。下面本文就裂紋形成的機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步梳理。

2.1 從凝固過(guò)程上看

冷凝剛開(kāi)始進(jìn)行時(shí)，覆層的組成多為液相，因此晶體可以無(wú)束縛地生長(zhǎng)，故而應(yīng)變難以集中。但隨著時(shí)間的推移，當(dāng)固相占比積累到某一值時(shí)，封閉的結(jié)構(gòu)便在固相間形成了，晶間開(kāi)始出現(xiàn)不連續(xù)且不能自由流動(dòng)的液膜。當(dāng)冷凝收縮時(shí)，固液兩相區(qū)晶間間斷的液膜處易引起應(yīng)變集中，繼而致使裂紋萌生。由于熔覆的冷凝過(guò)程極為迅速，裂紋萌生后又無(wú)新的液相來(lái)使之彌合，微裂紋進(jìn)一步生長(zhǎng)便會(huì)形成凝固裂紋?？梢哉f(shuō)，晶間液膜是裂紋產(chǎn)生的條件，而局部應(yīng)變集中則是裂紋萌展的前提 。與此同時(shí)，快凝、快冷作用在不均勻或偏析的組織中引起了較大的熱應(yīng)力，隨后產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。這種力極易沿晶萌生，而后快速沿脆性晶面生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生 。

2.2 從晶體結(jié)構(gòu)上看

熔覆成形時(shí)的急冷急熱易導(dǎo)致覆層萌生眾多位錯(cuò)，這些位錯(cuò)沿的方向滑移，當(dāng)其碰到晶界中硬質(zhì)相顆粒的阻礙時(shí)，將于滑移帶末端造成位錯(cuò)塞積，并致使應(yīng)力在塞積端集中。這種應(yīng)力一旦超過(guò)了材料的斷裂強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂，裂紋開(kāi)始形核。當(dāng)覆層拉應(yīng)力大于裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力時(shí)，解理裂紋便產(chǎn)生了 。有時(shí)，過(guò)高的激光功率、過(guò)小的掃描速度或過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間雖然會(huì)大大減緩熔池的冷卻速率，但卻會(huì)使覆層晶粒尺寸過(guò)大，應(yīng)力過(guò)于集中，繼而增大了易開(kāi)裂性 。此外，晶粒取向在程度上也影響著裂紋的萌生與擴(kuò)展，研究發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展速率與晶粒取向差呈負(fù)相關(guān) 。

2.3 從組織缺陷上看

覆層中的氣孔、夾雜等都可使覆層組織向著高裂紋敏感性的組織轉(zhuǎn)變，從而形成顯微缺陷或裂紋源?？梢钥隙ǖ氖?，在應(yīng)力應(yīng)變條件下，只有當(dāng)裂紋源的尺寸超過(guò)臨界缺陷尺寸時(shí)，裂紋才開(kāi)始萌生和擴(kuò)展 。有時(shí)共晶組織也充當(dāng)著裂紋萌生擴(kuò)展的“催化劑”。柱狀晶界是遲凝固的部位，此處各種偏析元素高度集中。相較于晶內(nèi)而言，晶界金屬的熔點(diǎn)低，裂紋敏感性高。當(dāng)柱狀晶界上的液態(tài)金屬呈分散液膜狀時(shí)，在拉應(yīng)力的作用下，覆層極易因微應(yīng)變集中而發(fā)生沿晶開(kāi)裂。對(duì)于含有脆性相的覆層，由于拉伸殘余應(yīng)力的累積，其易在凝固后的缺陷處引發(fā)裂縫。共晶組織可以起到引發(fā)位點(diǎn)，為脆性斷裂提供簡(jiǎn)便的裂縫通道的作用，使裂紋沿著位于晶界處的樹(shù)枝狀脆性共晶相傳播 。此外，氣孔有時(shí)也扮演著裂紋萌生擴(kuò)展，它可使覆層組織松散，甚至使覆層與基體剝離。同時(shí)，氣孔也是引起應(yīng)力集中 、增大覆層裂紋敏感性的主因 。

2.4 從材料屬性上看

由于覆層與基材之間存在熱膨脹系數(shù)上的差異，故極易產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力。該應(yīng)力表現(xiàn)為殘余拉應(yīng)力，并且在覆層與基材結(jié)合處，致使裂紋優(yōu)先從界面起裂。較大的溫差也極易導(dǎo)致約束熱應(yīng)力的產(chǎn)生。較大的溫差使覆層不同部位的冷卻速度不同，快冷的部位受相鄰組織的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，該應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致冷卻的涂層表面優(yōu)先起裂。此外，熔覆時(shí)局部的急熱急冷極易引起熱應(yīng)變極度不均。在之后的快速冷凝過(guò)程中，因熔池縮小，同時(shí)受到基體和已凝固熔池的約束，覆層中會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，其值可達(dá)數(shù)百兆帕。當(dāng)覆層組織所受拉應(yīng)力高于其塑性形變極限應(yīng)力時(shí)，裂紋就會(huì)產(chǎn)生。

3應(yīng)對(duì)措施

3.1 優(yōu)化工藝參數(shù)

工藝參數(shù)的選擇與覆層的表面質(zhì)量、組織、性能等密切相關(guān)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化可有效減小覆層內(nèi)應(yīng)力，提高覆層的力學(xué)性能。在光斑大小的情況下，對(duì)熔覆裂紋影響的工藝參數(shù)有激光功率 P、掃描速度 v和送粉速率 vmp 等 。下面本文對(duì)工藝參數(shù)與裂紋的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步梳理。

3.1.1激光功率對(duì)裂紋的影響

覆層單位面積內(nèi)的裂紋數(shù)目通常與激光功率 P呈正相關(guān) 。上官緒超等在多種激光功率（600，800，1000 W）下對(duì) 45 鋼表面進(jìn)行激光重熔處理后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率為 800 W 時(shí)，鐵基復(fù)合陶瓷的裂率小。Yi等在其他條件的情況下，通過(guò)改變激光功率，在灰鑄鐵表面進(jìn)行激光熔覆，終在激光功率為 3500 W 的條件下得到了無(wú)裂紋覆層。朱剛賢等認(rèn)為，提高激光功率和降低進(jìn)給量可以減少裂紋。李嘉寧在研究了激光功率與包層裂紋之間的關(guān)系后認(rèn)為，利用凸點(diǎn)可以減少和控制裂紋。這是因?yàn)楫?dāng)激光功率過(guò)低時(shí)，覆層結(jié)合區(qū)易產(chǎn)生組織疏松和氣孔等缺陷，提高了裂紋敏感性；隨著激光功率提高，覆層中的組織缺陷逐漸減少 。同時(shí)，在激光功率較大的情況下，覆層晶體自由生長(zhǎng)，組織雖略為粗大，但塑性、韌性得以提高，晶間硬質(zhì)相和低熔點(diǎn)晶體減少，有利于降低覆層的開(kāi)裂敏感性。因此，裂紋數(shù)目隨著激光功率的增大而減少，但過(guò)高的激光功率會(huì)使覆層輸入的比能變多，熔池變大，極端時(shí)甚至?xí)l(fā)生覆層塌陷、熔池外流現(xiàn)象。

3.1.2 激光掃描速度對(duì)裂紋的影響

掃描速度 v與激光功率 P 具有相似的影響。諸多理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，覆層的裂紋率與掃描速度呈負(fù)相關(guān) 。吳新偉等選擇 2 kW 的 CO2 激光器在 A3鋼基體上熔覆了鎳基 WC復(fù)合涂層，試驗(yàn)結(jié)果顯示，覆層宏觀裂紋數(shù)目隨激光掃描速度的增大而減少，在掃描速度為 11 mm/s左右時(shí)效果。此外，張磊等 、Fu 等 、Zhou 等 也通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)掃描速度成功降低了裂紋敏感性。這是因?yàn)殡S著掃描速度增大，固液兩相結(jié)合處的凝固加快，溫度梯度增大，從而導(dǎo)致覆層中的殘余應(yīng)力增大，裂紋率升高。而且，激光功率愈低，掃描速度對(duì)熔覆裂紋的影響就愈顯著。但是，李嘉寧卻認(rèn)為減小掃描速度引起的溫度梯度的增大量與熔池變大導(dǎo)致的溫度梯度的減小量部分抵消，故而掃描速度的變化對(duì)溫度梯度的影響很小。

3.1.3 送粉速率對(duì)裂紋的影響

送粉速率 vmp 與裂紋率的關(guān)系十分密切。隨著送粉速率增大，單一覆層變厚，熱應(yīng)力難以擴(kuò)散，致使裂紋率增加。郝明仲在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在大掃描速度下的送粉體積越多，裂紋敏感性就越高。此外，快速掃描時(shí)，覆層上未完全熔化的粉粒也會(huì)增加覆層的孔隙率，這些粉粒也極易卷入覆層，繼而萌生裂紋。此外，送粉量的增大還會(huì)導(dǎo)致覆層表面質(zhì)量變差。宋光明等采用 Ni60 合金粉末熔覆45鋼時(shí)使用單向送粉雙向掃描工藝，有效避免了覆層裂紋的發(fā)生，并使得覆層表面更加平整，提高了粉材的利用率。

3.1.4 工藝參數(shù)對(duì)裂紋的綜合影響

熔覆工藝參數(shù)之間關(guān)系密切，對(duì)此，王志堅(jiān)等、Yi等等都進(jìn)行了大量且細(xì)致的研究。高霽等在應(yīng)用正交試驗(yàn)探究工藝參數(shù)對(duì)鈦合金激光熔覆的影響時(shí)，根據(jù)極差分析得出了諸參數(shù)對(duì)裂紋影響的重要性從大到小的順序?yàn)閽呙杷俣?、激光功率、預(yù)置層厚度、離焦量。這些研究皆證明，工藝參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于覆層裂紋的控制具有積極意義。但是由于不同材料的性能不同，組織和開(kāi)裂機(jī)理不同，故所適用的工藝參數(shù)也必然有所區(qū)別。于是，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)的方法開(kāi)始進(jìn)入研究人員的視野。王志堅(jiān)等 建立了熔覆線寬與光斑直徑、激光功率、掃描速度、送粉量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上研究了工藝參數(shù)對(duì)裂紋的綜合影響。Yu 等采用田口法設(shè)計(jì)了25組正交試驗(yàn)，通過(guò)方差及相關(guān)工藝參數(shù)信噪比的分析，得到了相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)激光熔覆涂層幾何特征的影響，繼而提出田口法是優(yōu)化多響應(yīng)目標(biāo)工藝參數(shù)的有效解決手段。這些數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法在程度上適應(yīng)了不同材料的特性，但是客觀誤差的存在，使得結(jié)果不盡人意。

3. 2 優(yōu)化覆層設(shè)計(jì)

搭接率、分層厚度增量和熱脹系數(shù)是優(yōu)化覆層設(shè)計(jì)中的幾個(gè)要素，其數(shù)值的選擇不僅關(guān)乎成形效率，更關(guān)乎覆層的表面形貌及裂紋數(shù)量。下面分別就這幾個(gè)要素進(jìn)行討論。

3.2.1 搭接率對(duì)裂紋的影響

適當(dāng)?shù)拇罱勇蕰?huì)提高覆層的表面質(zhì)量。倘若搭接得過(guò)密，則會(huì)適得其反，這樣也極易使覆層表面傾斜，缺陷累積。Xu 等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在不連續(xù)液膜中更易形成高角度晶界的共晶（如圖 1 所示），這種組織易導(dǎo)致液化裂紋。宋建麗在對(duì) Ni60熔覆 316L不銹鋼組織的多次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，搭接率低于30% 時(shí)，覆層表面會(huì)出現(xiàn)明顯凹陷，且其凹陷程度與搭接率呈負(fù)相關(guān)。張德強(qiáng)等在 45 鋼表面熔覆了自熔性鎳基 WC 粉末，他借助逆向工程技術(shù)來(lái)確定多道搭接率，計(jì)算得到了激光熔覆涂層截面曲線 的三維數(shù)字化模型，得出搭接率約為25. 47%。覆層表面的凹陷極易導(dǎo)致覆層間形成氣孔等缺陷，這對(duì)覆層的裂紋率及性能都是不利的。

分層厚度增量 ΔZ 一般與搭接率一起綜合考慮，故而搭接率一般在30%~50% 的較大區(qū)間內(nèi)選取。

3.2.2 分層厚度增量和熔覆分層數(shù)對(duì)裂紋的影響

覆層的裂紋敏感性與分層厚度增量 ΔZ 緊密相關(guān)。在其余參數(shù)相同的情況下，分層厚度增量與覆道間凹陷的程度呈正相關(guān)。在多層激光熔覆成形中，倘若分層厚度增量適當(dāng)，則熔覆中產(chǎn)生的雜質(zhì)會(huì)在后續(xù)熔覆中上浮，降低了裂紋敏感性；反之，倘若分層厚度增量過(guò)大，則不僅會(huì)降低成形精度，還易導(dǎo)致雜質(zhì)來(lái)不及上浮，滯留在覆層間，成為裂紋源，并且產(chǎn)生臺(tái)階效應(yīng)。方金祥等為了研究固態(tài)相變對(duì)馬氏體鋼激光熔覆成形過(guò)程中應(yīng)力演化的影響，建立了考慮降溫過(guò)程馬氏體相變的熱力耦合激光單道熔覆及多層多道堆積有限元模型，在實(shí)測(cè)材料物性參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)單道熔覆及多層多道堆積應(yīng)力演化進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果表明：馬氏體相變對(duì)應(yīng)力場(chǎng)演化具有顯著影響；在相同的工藝參數(shù)下，熔覆成形層數(shù)越多，內(nèi)部應(yīng)力累積得越多，越易產(chǎn)生裂紋。故而，有時(shí)也可以根據(jù)實(shí)際情況，在基材與目標(biāo)覆層間設(shè)置單種或多種材料（或過(guò)渡層），使覆層與基體實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度結(jié)合，同時(shí)也有利于減少覆層裂紋 。

3.2.3 熱膨脹系數(shù)對(duì)裂紋的影響

熔覆材料一般要根據(jù)覆層的性能要求來(lái)選擇，一般選取與基材濕潤(rùn)性好、熱膨脹系數(shù)相差較小的材料，以減少熔覆過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋。張?zhí)靹偟壤?ANSYS 建立了 TC4 表面 Ni60 激光涂層的有限元模型，分析了涂層表面的殘余熱應(yīng)力分布；結(jié)果表明，在涂層頂部區(qū)域以及邊緣和底部結(jié)合區(qū)形成的應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，且與實(shí)際試驗(yàn)中涂層裂紋出現(xiàn)的位置一致。為了降低開(kāi)裂傾向，選擇基體材料的原則是其熱膨脹系數(shù)稍大于熔覆粉末的熱膨脹系數(shù) 。

但是熱膨脹系數(shù)對(duì)裂紋的影響僅僅是降低裂紋敏感性，并不能通過(guò)其消除裂紋。余廷等基于微觀組織研究了 NiCrBSi鎳基熔覆涂層的裂紋形成機(jī)理，結(jié)果顯示，縱然涂層與基體的熱膨脹系數(shù)差異較小，但涂層也容易開(kāi)裂 。Wang 等 、Ma等 、Dong等提出了在基體與涂層之間引入過(guò)渡層的方法，目的是使覆層內(nèi)各成分的熱膨脹系數(shù)實(shí)現(xiàn)梯度過(guò)渡，以減小覆層的熱應(yīng)力，降低裂紋率。