磁場對Co基合金激光熔覆裂紋控制的影響

長三角G60激光聯盟導讀

本文研究了磁場對熔覆層的缺陷和性能有顯著影響。研究了合金的形貌演變、相組成、元素分布、熱膨脹和熱應力。

摘要

在42CrMo襯底上製備了Co基激光熔覆層。在激光熔覆過程中施加了磁場。系統分析了熔覆層裂紋和氣孔產生的原因。磁場對熔覆層的缺陷和性能有顯著影響。研究了合金的形貌演變、相組成、元素分布、熱膨脹和熱應力。結果表明，磁致伸縮效應降低了磁化誘導激光熔覆過程中的熱膨脹和熱應力，降低了熔覆層的裂紋敏感性。熔覆層的平均顯微硬度和形貌均比無磁場輔助熔覆層有所提高。磁場可以改善熔覆層的元素分布均勻性，降低元素偏析，從而降低熔覆層的裂紋敏感性。

1、介紹

激光熔覆是一種高能激光束與金屬粉末和基材相互作用以構建新部件、修復或提高磨損部件機械性能的過程。激光熔覆作為一種重要的激光製造技術，在零件再製造中起着至關重要的作用。

與傳統的去除技術不同，激光熔覆是基於材料的增量規律。金屬粉末在成形過程中完全熔化，在基材上形成冶金結合。經過幾十年的發展，激光熔覆技術已成為先進制造技術中快速增長的一部分。激光熔覆是一種常用於再製造的表面改性技術，它可以在基材表面製備稀釋率低、熱變形小、結合質量高和機械性能優異的塗層。激光熔覆是製造業的革命和突破。

各種激光束的示意圖：（a）負散焦，（b）聚焦和（c）正散焦面。

然而，缺陷、裂紋和氣孔一直是制約該技術發展的主要問題。熔覆層中的裂紋會降低熔覆層的壽命和機械性能。

熔覆層中裂紋的出現可總結為以下原因：

（1）激光熔覆材料和基板之間的熱物理參數（如熱膨脹係數和彈性模量）不匹配會導致激光熔覆期間的熱應力。熱應力裂紋是激光熔覆過程中最常見的裂紋類型。

當覆層的熱膨脹係數和彈性模量大於基材的熱膨脹係數和彈性模量時，覆層受到拉伸應力，增加裂紋敏感性（見圖1（a））。熱應力將導致覆層和基板之間的接頭被拉伸，導致覆層開裂。當包層的熱膨脹係數和彈性模量小於基材的熱膨脹係數和彈性模量時，包層承受的熱應力較小，裂紋敏感性降低（見圖1（b））。

圖1 激光熔覆層開裂示意圖：（a）拉伸熱應力導致熔覆層開裂；（b）覆層承受壓縮熱應力。

（2）在凝固過程中，熔覆層的脆性區對裂紋很敏感。當熔覆層中存在馬氏體、碳化物和硼化物等硬相時，熔覆層的脆性更為顯著，這可能導致熔覆層的斷裂韌性降低，從而增加熔覆層的裂紋敏感性。

(3)在激光熔覆過程中，由於偏析產生的複雜碳化物或低熔點金屬間化合物可能熔化，在部分熔化區產生局部晶界膜或局部脆性區域。

低膨脹材料的激光熔覆可以在一定程度上減小基底和熔覆材料之間的熱膨脹差，但這往往會嚴重影響熔覆層的機械性能。激光熔覆因瓦合金（Fe-36Ni）降低了熔覆層的裂紋敏感性。因此，低膨脹、高硬度、無裂紋的激光熔覆層是激光熔覆研究的挑戰。

為了解決激光熔覆的裂紋問題，許多學者做了大量的工作。目前，磁輔助激光熔覆的研究主要集中在控制流體流動、金屬凝固、傳熱傳質，以改善熔覆層的微觀組織、顯微硬度、耐蝕性、耐磨性等性能。控制包層開裂的另一種方法是在基板和包層之間引入緩衝層。緩衝層由一種材料製成，該材料具有很強的抗裂性，並且與基材的物理特性具有良好的兼容性，能夠形成厚且無裂紋的覆層。

現有研究表明，如何減少激光熔覆層的裂紋。通過調整激光熔覆工藝參數很難消除所有裂紋；前處理或後處理步驟和緩衝層在熔覆過程中也會產生較高的時間和金錢成本。

消除裂紋的根本是系統地了解激光熔覆過程中裂紋的產生機理。磁輔助激光塗層裂紋控制的研究主要集中在攪拌磁效應上，攪拌磁效應可以使熔池溫度分布均勻，細化晶粒，改善塗層偏析，釋放應力集中。目前，很少有研究控制基板和覆層材料之間的熱膨脹係數差，以降低熱應力和裂紋敏感性。關於磁致伸縮效應在激光熔覆過程中降低熱應力的研究尚未見報道。

（a）激光熔覆操作窗口用於珠間距和較高的離焦距離，（b）珠間距對雙珠橫向形狀的影響，（c）光學圖像顯示（b）、（d）兩層熔覆的表面形貌和橫向截面形狀中裂紋缺陷的特寫視圖。

本研究以Co-Fe-Cr-B-C複合粉末為研究對象。結合CALPHAD計算和EDS技術方法，研究了激光熔覆層中裂紋的產生機理。討論了磁場對熔覆層形貌演變、顯微硬度和裂紋敏感性的影響。

2實驗和方法

2.1. 材料和樣品製備

實驗中使用的襯底材料為42CrMo，尺寸為85×12×12mm。用砂紙打磨基材，以去除鐵鏽和雜質。基板的平均粗糙度約為0.54μm。

2.2. 實驗設備

激光熔覆系統如圖2（a）所示。激光熔覆處理在2 kW FL020光纖激光系統中進行，該系統與KUKA機械臂（德國KUKA KR30）和磁場發生器裝置耦合。將0.3 mm高的硅鋼芯放置在磁場產生模塊外，以減少磁損耗（見圖2）。磁感應強度調節範圍為0-80mT，用磁場計（SJ700，桂林森捷科技有限公司）測量。磁感應強度測試區是工件的中心部分（見圖2（b））。

圖2 激光熔覆實驗系統的示意圖。

在激光熔覆過程中，使用純度為99.99%的氬氣作為保護氣體，以防止混合粉末在熔池中被氧化。

3、結果與討論

3.1. 熔覆層缺陷的表徵

激光熔覆的凝固過程是非平衡的，在高硬度熔覆層中容易形成裂紋等缺陷。圖3顯示了S1激光熔覆層的微觀結構。從顯微照片可以看出，熔覆層中存在多個裂紋和氣孔。

圖3 S1的微觀結構和EDS：（a）截面S1的微觀結構；（b）孔隙1附近材料的平均元素含量；（c）接近裂紋2的材料的平均元素含量；（d）孔隙2附近材料的平均元素含量；（e）孔隙3附近材料的平均元素含量；（f）缺陷區的EDS映射。

缺陷區的EDS映射如圖3（f）所示，裂紋2的元素含量通過EDS點拾取分析沿裂紋邊緣長度測量，每0.05 mm採集一組數據。由於裂紋1源自孔隙1，為了更好地了解裂紋行為，我們採用EDS點拾取方法分析孔隙1邊緣周圍的平均元素含量，點拾取數設置為10。孔隙2和孔隙3的元素含量分析方法與孔隙1相同。

熔覆層中裂紋的機理不同。裂紋2起源於包層和基板之間的界面。裂紋1和裂紋3起源於熔覆層，與裂紋2不同。這意味着裂紋產生的機制不同。

靠近選定裂紋區和42CrMo基板的材料的熱膨脹係數如圖4所示。值得注意的是，靠近裂紋1的材料的熱膨脹係數與裂紋2的熱膨脹係數不一致。這主要是由於激光熔覆過程中快速加熱和冷卻導致熔池中元素的不均勻擴散（見圖3（b）和（c））。

圖4 缺陷區和基板的熱膨脹係數。

值得注意的是，靠近裂紋1的材料的熱膨脹係數低於基材的熱膨脹係數，但仍會出現裂紋。這可能是由於靠近裂紋1的材料中存在大量C元素，碳化物顯著降低了斷裂韌性（見圖3（b））。此外，孔隙容易引起應力集中和裂紋產生。

裂紋3起源於包層內部，並延伸至包層表面。圖5顯示了裂紋區的EDS映射；這清楚地表明，C和Fe元素沿裂紋3的裂紋邊界分布有強烈的偏析。元素的顯著微觀偏析可能導致裂紋敏感性。C和B元素在包層中分布不均勻。在激光熔覆過程中，這兩種元素漂浮在熔池表面，起到固溶硬化和結渣的作用（見圖5（b）和（c））。

圖5 裂紋區的EDS映射：（a）裂紋區的微觀結構；（b） b元素的分布；（c） c元素的分布；（d） Cr的分布；（e）鐵元素分布；（f） Co元素的分布。

圖3還顯示，在包層的底部有幾個孔。這主要是由於激光熔覆過程中熔池的存在時間較短。尤其是在熔池底部，凝固速度很快，並且熔池中形成的孔隙沒有足夠的時間浮起，因此孔隙敏感性很高。

3.2. 形態和微觀結構的演變

圖6（a）-（f）表示S1的橫截面微觀結構。圖7表示寬度/高度演變的包層幾何形狀。熔覆層的主要結構為樹枝狀。應注意的是，S1的微觀結構在熔覆層底部顯示出典型的柱狀枝晶。晶粒較粗，穿透到熔覆層的中間。

此外，微觀結構的尺寸從下至上逐漸減小。磁場對熔覆層的形貌有顯著影響。

S1、S2、S3和S4的平均高度分別約為0.70 mm、0.59 mm、0.61 mm和0.68 mm。包層S1、S2、S3、S4的平均寬度分別約為3.47 mm、3.55 mm、3.72 mm和4.22 mm。圖7顯示了磁感應強度對寬度/高度演變的包層幾何形狀的影響。

隨着磁場強度的增加，包層W/H逐漸升高。當磁場強度為0 mT時，包層的平均W/H值約為4.96。當磁感應強度為20 mT、40 mT和60 mT時，包層的平均寬度/高度分別約為6.02、6.10和6.21。W.M.Steen認為，縱橫比（寬度/高度）應大於5，以避免激光熔覆層中出現裂紋和氣孔。隨着磁感應強度的增加，熔池中的傳質和傳熱得到加強，促進了熔覆層的均勻冷卻和凝固。磁場有助於均勻熔池的形態。因此，磁場強度的增加有利於減少熔覆層中的裂紋和氣孔。

圖6 S1激光熔覆層的微觀結構。

圖7 包層幾何形狀。

圖8表明，磁感應強度極大地影響了熔覆層的微觀結構演變。在S2、S3和S4熔覆層的頂部，組織為等軸枝晶，中間和底部區域為柱狀枝晶。隨着磁感應強度的增加，熔覆層頂部的枝晶尺寸明顯減小，且分布呈彌散性。當磁感應強度增加到60 mT時，熔覆層的微觀結構尺寸進一步減小。細組織有利於提高熔覆層的力學性能。磁場的增加導致熔池表面附近的液體對流強度增加，加強了液態金屬對結晶的沖刷作用，導致柱狀枝晶的機械損傷增加，從而導致等軸晶核的上升。

圖8 S2、S3和S4激光熔覆層的微觀結構。

G/R比值決定了凝固組織的形態。冷卻速率比G×R決定了熔覆層的微觀結構尺寸。在更高的G×R值下，可以獲得更精細的微觀結構。圖8 顯示，隨着磁場強度從0 mT增加到60 mT，熔覆層的微觀結構尺寸變得更細。減小的微觀結構尺寸有助於優化熔覆層的微觀結構和機械性能。圖8表明，從熔覆層底部到頂部的微觀結構從柱狀枝晶轉變為等軸晶。根據凝固理論，這是G/R降低的結果。由於微結構尺寸更細，等軸微結構有助於提高熔覆層的機械性能。

在磁場中進行激光熔覆時，微觀結構細化並均勻分布，消除了裂紋和氣孔等缺陷。當磁場值為40 mT和60 mT時，激光熔覆層沒有明顯的裂紋。需要指出的是，S2熔覆層仍然存在裂紋。S2裂紋區的EDS映射表明，Cr和C元素沿裂紋邊界富集（見圖9）。Cr和C易形成脆性相，偏析區對裂紋敏感。

圖9 S2裂紋區的EDS映射。

當激光熔覆在磁場中進行時，由於攪拌效應，熔池中會產生洛倫茲力，從而加劇熔體的運動。熔池中的孔隙向上漂浮到熔覆層表面，最後從熔池中逸出。

3.3. 磁場對裂紋的影響

3.3.1. XRD結果和元素擴散

通過X射線衍射分析了熔覆層的相類型。圖10顯示了具有和不具有磁場的Co-Fe-Cr-B-C覆層的XRD結果。包層主要由CoFe、Fe、Co3Fe7和Fe-Cr組成。磁感應強度的變化不影響相類型。圖10和圖11表明，磁感應強度可以有效地加速元素在熔池中的擴散。然而，包層中的相變並不顯著。這可能是因為磁場強度太低，導致熔池熱條件的變化有限，因此相類型的變化不明顯。

圖10 激光熔覆層的XRD圖。

圖11不同磁場強度激光熔覆層橫截面的能譜分析：（a）S1橫截面的能譜分析；（b） S2橫截面的EDS；（c） S3橫截面的EDS；（d） S4橫截面的EDS。

圖11顯示了磁場對激光熔覆層元素分布的影響。

圖11（a）表明，距離熔覆層表面1.5 mm是元素含量的突變點，這是熔覆層和基板之間的熔合線。與基體相比，熔覆層中的Fe、Co和Cr元素有明顯的波動，表明熔覆層中的元素分布不完全均勻，這揭示了熔覆層中的局部微觀偏析。在激光熔覆過程中，當在熔池中施加磁場時，熔體的對流加劇，使鐵、鈷和鉻原子的擴散更加均勻。磁場顯著減少了元素的偏析，然後將元素偏析引起的裂紋敏感性降至最低。隨着磁感應強度的增加，元素擴散在熔覆層中的分布更加均勻。當磁感應強度增加到40 mT和60 mT時，硅元素從襯底稀釋到包層。這種現象可能是由於磁感應強度的增加，加強了磁場對熔池的磁攪拌作用。流動和對流的增強有助於熔覆層中元素的均勻分布。

3.3.2. Delta-E效應

XRD結果表明，塗層的所有樣品中都含有CoFe相。作為磁致伸縮材料，CoFe相可以觸發磁致伸縮效應，並在基板和覆層之間的接觸區產生磁致伸縮應變。磁致伸縮效應抵消了磁感應激光熔覆過程中熔覆材料的熱膨脹。

圖12顯示了所有樣品的彈性模量。磁場對包層的彈性模量有顯著影響。S1、S2、S3和S4的彈性模量分別為249.6 GPa、171.1 GPa、190.2 GPa和208.7 GPa。沒有磁化的樣品具有最高的彈性模量。所有磁化樣品的彈性模量隨着磁場強度的增加而增加。

圖12 包層的彈性模量。

圖13顯示，沒有磁感應激光熔覆層具有比磁感應層更高的熱膨脹。由於ΔE值較高，S2在所有樣品中具有較低的熱膨脹係數。換句話說，在本研究中，磁致伸縮效應越強，其抵消覆層材料本身正常熱膨脹的能力越大。S2、S3和S4的熱膨脹係數下降是由於磁致伸縮效應，該效應抵消了覆層材料的熱膨脹。

圖13 包層的熱膨脹係數。

3.3.3. 熱應力

根據圖13中獲得的結果，結合熔覆層的幾何形狀，我們可以得出磁致伸縮效應對熱應力的影響。

圖14表示包層的熱應力。與熱膨脹係數變化模式相比，所有樣品的變化曲線顯示出相同的趨勢。換句話說，包層的熱膨脹對熱應力的影響最為顯著。

圖14 激光熔覆層的熱應力。

S2、S3和S4的熱應力曲線斜率明顯小於S1。這是由於包層材料在磁場中的磁致伸縮效應，降低了熱膨脹係數和彈性模量，從而降低了熱應力。

值得注意的是，當磁感應強度從20 mT增加到60 mT時，磁致伸縮效應減小，導致熱膨脹係數和彈性模量增加。磁致伸縮效應的降低將增加熱應力，因此S2的熱應力值低於S3和S4。換句話說，在激光熔覆過程中，藉助輔助磁場和熔覆材料的磁致伸縮效應，可以有效控制熔覆層的彈性模量和熱膨脹係數。熱膨脹係數是控制熔覆層熱應力的主要因素。降低Co-Fe-Cr-B-C合金的熱膨脹係數和彈性模量可以有效地降低由基板和覆層之間的熱膨脹和彈性模量不匹配引起的熱應力，從而降低裂紋敏感性。

3.4. 顯微硬度

圖15顯示了激光熔覆層的顯微硬度。所有樣品在熔覆層中的顯微硬度值都高於熱影響區和基體。S1、S2、S3、S4和基板的平均顯微硬度分別為861 HV、940 HV、980 HV、1056 HV和302 HV。圖15表明，磁場對熔覆層的顯微硬度有積極影響。在所有樣品中，S4的顯微硬度值最高。隨着磁場強度的增加，熔覆層的顯微硬度增加。顯微硬度的升高與熔覆層中晶粒的大小密切相關。

圖15激光熔覆層的顯微硬度。

此外，隨着磁感應強度的增加，氣孔和裂紋的減少有助於提高熔覆層的顯微硬度。

4、結論

採用磁場激光熔覆法在42CrMo基體上製備了Co-Fe-Cr-B-C合金。磁場對包層缺陷的影響是多方面的，較小的磁場可以產生較大的磁致伸縮效應。在本實驗所涉及的樣品中，20 mT磁感應強度輔助激光熔覆過程中產生的磁致伸縮效應最大，從而降低了熱應力，解決了由熔覆材料和基板之間的熱膨脹和彈性模量差引起的裂紋問題。然而，小磁場對元素均勻化的影響不如大磁場強。同時，磁場輔助激光熔覆對熔覆層的幾何形狀也有較大的影響，本研究發現，當磁場強度為60 mT時，熔覆層的寬高比最大，顯微硬度最高。磁場對Co-Fe-Cr-B-C合金熔覆層裂紋敏感性的影響是顯著的，可以得出以下結論：

•在磁輔助激光熔覆工藝中，磁感應強度是影響磁致伸縮效率的關鍵因素。

•隨着磁場強度的增加，從20 mT到60 mT，磁致伸縮效應變弱。高磁致伸縮效應可以通過減少脆性相和孔隙的偏析來提高熔覆層的力學性能。

•磁致伸縮效應可以有效降低覆層的熱膨脹係數和彈性模量，從而降低熱應力和裂紋敏感性。

•磁輔助激光熔覆可以通過細晶組織提高熔覆層的顯微硬度，並且不影響熔覆層的相類型。

來源：Effect of magnetic field on crack control of Co-based alloy laser cladding, Optics & Laser Technology, doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107129

參考文獻：Research and development status of laser cladding on magnesium alloys: A review, Opt. Lasers Eng., 93 (2017), pp. 195-210, 10.1016/j.optlaseng.2017.02.007