1 引言

激光熔覆是 20 世紀(jì) 80 年代興起的一種先進的制造技術(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)生成為一個亟待解決的問題。本文從裂紋的分類、形成機理、應(yīng)對措施等方面總結(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 形成機理

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

1）對金屬材料裂紋萌生與擴展的微觀理論進行研究，并提出了微裂紋描述方法；

2）對材料的微觀組織進行觀察，分析裂紋產(chǎn)生的機理；

3）對材料的組織結(jié)構(gòu)進行仿真，模擬裂紋的產(chǎn)生和擴展。

特別是關(guān)于熱裂紋的研究，諸多學(xué)者皆爭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，無論是熱裂紋還是冷裂紋，其萌生和擴展也都與成形過程中的應(yīng)力密不可分。下面本文就裂紋形成的機理進行進一步梳理。

2.1 從凝固過程上看

冷凝剛開始進行時，覆層的組成多為液相，因此晶體可以無束縛地生長，故而應(yīng)變難以集中。但隨著時間的推移，當(dāng)固相占比積累到某一值時，封閉的結(jié)構(gòu)便在固相間形成了，晶間開始出現(xiàn)不連續(xù)且不能自由流動的液膜。當(dāng)冷凝收縮時，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。由于熔覆的冷凝過程極為迅速，裂紋萌生后又無新的液相來使之彌合，微裂紋進一步生長便會形成凝固裂紋?？梢哉f，晶間液膜是裂紋產(chǎn)生的條件，而局部應(yīng)變集中則是裂紋萌生發(fā)展的前提?。與此同時，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，從而導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生?。

2.2 從晶體結(jié)構(gòu)上看

熔覆成形時的急冷急熱易導(dǎo)致覆層萌生眾多位錯，這些位錯沿一定的方向滑移，當(dāng)其碰到晶界中硬質(zhì)相顆粒的阻礙時，將于滑移帶末端造成位錯塞積，并致使應(yīng)力在塞積端集中。這種應(yīng)力一旦超過了材料的斷裂強度，就會出現(xiàn)開裂，裂紋開始形核。當(dāng)覆層拉應(yīng)力大于裂紋擴展臨界應(yīng)力時，解理裂紋便產(chǎn)生了?。有時，過高的激光功率、過小的掃描速度或過長的保溫時間雖然會大大減緩熔池的冷卻速率，但卻會使覆層晶粒尺寸過大，應(yīng)力過于集中，繼而增大了易開裂性?。此外，晶粒取向在一定程度上也影響著裂紋的萌生與擴展，研究發(fā)現(xiàn)，裂紋擴展速率與晶粒取向差呈負相關(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)裂紋源的尺寸超過臨界缺陷尺寸時，裂紋才開始萌生和擴展?。有時共晶組織也充當(dāng)著裂紋萌生擴展的“催化劑”。柱狀晶界是最遲凝固的部位，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，在拉應(yīng)力的作用下，覆層極易因微應(yīng)變集中而發(fā)生沿晶開裂。對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，為脆性斷裂提供簡便的裂縫通道的作用，使裂紋沿著位于晶界處的樹枝狀脆性共晶相傳播?。此外，氣孔有時也扮演著裂紋萌生擴展的“導(dǎo)火索”，它可使覆層組織松散，甚至使覆層與基體剝離。同時，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)合處最大，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)力會導(dǎo)致冷卻最快的涂層表面優(yōu)先起裂。此外，熔覆時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程中，因熔池縮小，同時受到基體和已凝固熔池的約束，覆層中會產(chǎn)生拉應(yīng)力，其值可達數(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，裂紋就會產(chǎn)生。

3應(yīng)對措施

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)，對其進行優(yōu)化可有效減小覆層內(nèi)應(yīng)力，提高覆層的力學(xué)性能。在光斑大小一定的情況下，對熔覆裂紋影響最大的工藝參數(shù)有激光功率 P、掃描速度 v和送粉速率 vmp 等?。下面本文對工藝參數(shù)與裂紋的關(guān)系進行進一步梳理。

3.1.1激光功率對裂紋的影響

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 45 鋼表面進行激光重熔處理后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率為 800 W 時，鐵基復(fù)合陶瓷的裂率最小。Yi等在其他條件一定的情況下，通過改變激光功率，在灰鑄鐵表面進行激光熔覆，最終在激光功率為 3500 W 的條件下得到了無裂紋覆層。朱剛賢等認為，提高激光功率和降低進給量可以減少裂紋。李嘉寧在研究了激光功率與包層裂紋之間的關(guān)系后認為，利用凸點可以減少和控制裂紋。這是因為當(dāng)激光功率過低時，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，在激光功率較大的情況下，覆層晶體自由生長，組織雖略為粗大，但塑性、韌性得以提高，晶間硬質(zhì)相和低熔點晶體減少，有利于降低覆層的開裂敏感性。因此，裂紋數(shù)目隨著激光功率的增大而減少，但過高的激光功率會使覆層輸入的比能變多，熔池變大，極端時甚至?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。諸多理論及實驗結(jié)果表明，覆層的裂紋率與掃描速度呈負相關(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左右時效果最佳。此外，張磊等?、Fu 等 、Zhou 等 也通過適當(dāng)調(diào)節(jié)掃描速度成功降低了裂紋敏感性。這是因為隨著掃描速度增大，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，掃描速度對熔覆裂紋的影響就愈顯著。但是，李嘉寧卻認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溫度梯度的影響很小。

3.1.3 送粉速率對裂紋的影響

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)力難以擴散，致使裂紋率增加。郝明仲在試驗中發(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，覆層上未完全熔化的粉粒也會增加覆層的孔隙率，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)對裂紋的綜合影響

熔覆工藝參數(shù)之間關(guān)系密切，對此，王志堅等、Yi等等都進行了大量且細致的研究。高霽等在應(yīng)用正交試驗探究工藝參數(shù)對鈦合金激光熔覆的影響時，根據(jù)極差分析得出了諸參數(shù)對裂紋影響的重要性從大到小的順序為掃描速度、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，組織和開裂機理不同，故所適用的工藝參數(shù)也必然有所區(qū)別。于是，采用數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合來優(yōu)化工藝參數(shù)的方法開始進入研究人員的視野。王志堅等?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)對裂紋的綜合影響。Yu 等采用田口法設(shè)計了25組正交試驗，通過方差及相關(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)值模擬和試驗相結(jié)合的方法在一定程度上適應(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

搭接率、分層厚度增量和熱脹系數(shù)是優(yōu)化覆層設(shè)計中的幾個要素，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。下面分別就這幾個要素進行討論。

3.2.1 搭接率對裂紋的影響

適當(dāng)?shù)拇罱勇蕰岣吒矊拥谋砻尜|(zhì)量。倘若搭接得過密，則會適得其反，這樣也極易使覆層表面傾斜，缺陷累積。Xu 等通過研究發(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 Ni60熔覆 316L不銹鋼組織的多次試驗中發(fā)現(xiàn)，搭接率低于30% 時，覆層表面會出現(xiàn)明顯凹陷，且其凹陷程度與搭接率呈負相關(guān)。張德強等在 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)來確定多道搭接率，計算得到了激光熔覆涂層截面曲線 的三維數(shù)字化模型，得出最佳搭接率約為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大，則不僅會降低成形精度，還易導(dǎo)致雜質(zhì)來不及上浮，滯留在覆層間，成為裂紋源，并且產(chǎn)生臺階效應(yīng)。方金祥等為了研究固態(tài)相變對馬氏體鋼激光熔覆成形過程中應(yīng)力演化的影響，建立了考慮降溫過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，在實測材料物性參數(shù)的基礎(chǔ)上，對單道熔覆及多層多道堆積應(yīng)力演化進行了有限元分析。分析結(jié)果表明：馬氏體相變對應(yīng)力場演化具有顯著影響；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，有時也可以根據(jù)實際情況，在基材與目標(biāo)覆層間設(shè)置單種或多種材料（或過渡層），使覆層與基體實現(xiàn)高強度結(jié)合，同時也有利于減少覆層裂紋?。

3.2.3 熱膨脹系數(shù)對裂紋的影響

熔覆材料一般要根據(jù)覆層的性能要求來選擇，一般選取與基材濕潤性好、熱膨脹系數(shù)相差較小的材料，以減少熔覆過程中產(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，且與實際試驗中涂層裂紋出現(xiàn)的位置一致。為了降低開裂傾向，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)對裂紋的影響僅僅是降低裂紋敏感性，并不能通過其消除裂紋。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，但涂層也容易開裂 。Wang 等?、Ma等?、Dong等提出了在基體與涂層之間引入過渡層的方法，目的是使覆層內(nèi)各成分的熱膨脹系數(shù)實現(xiàn)梯度過渡，以減小覆層的熱應(yīng)力，降低裂紋率。