激光熔覆修复技术的基础试验研究

激光熔覆修复技术的基础试验研究邓琦林，熊忠琪，周春燕，高宾（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240 ）摘要：激光熔覆修复技术是近年来迅速发展起来的一项新的零件修复技术，该技术有许多非常突出的优点。

本文对激光熔覆修复技术进行了基础性的试验研究，模拟实际零件的修复情况，在基体材料上加工了一个“U”形缺口并用激光熔覆技术进行修复。

把激光熔覆修复的试件制作成力学性能试件，获得了相关的试验数据，并对试验结果进行了分析，为激光熔覆修复技术的实际工程应用提供了理论依据。

关键词：激光熔覆；零件修复；力学性能中图分类号：TG665Basic Experimental Researches On Repairing Technology of Laser CladdingDeng Qilin，Xiong Zhongqi，Zhou Chunyan，Gaobin（Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China ）Abstracts: Laser cladding repairing is a new developing technology of parts repairing. It has many advantages. The basic experimental researches on the laser cladding repairing technology have been carried out. Simulating the actual parts repairing, a “U” shape of groove has been machined on a substrate of 2Cr12 and repaired by laser cladding. The testing pieces of mechanics properties have been made with the laser cladding part. The experimental results have been obtained and the analyses on the experimental results have been carried out. A theory reliance of laser cladding repairing on actual parts has been provided.Key words: laser cladding；part repairing；mechanics properties零件的修复技术具有非常广阔的应用前景。

零件的修复方法很多，如电弧堆焊、氩弧堆焊、等离子弧堆焊、等离子弧喷涂和电镀等。

近年来，在国内外兴起了一种新的零件修复技术即激光熔覆修复技术。

激光熔覆修复技术通常采用预置粉末或同步送粉方法加入金属粉末，利用激光束聚焦能量极高的特点，在瞬间将基体表面微熔，同时使基体表面预置的金属粉末（与基体材质相同或相近）全部熔化，激光离去后快速凝固，获得与基体呈冶金结合的致密熔覆层，使零件表面恢复几何外形尺寸并使表面熔覆层强化。

激光熔覆修复技术解决了电弧堆焊、氩弧堆焊、等离子弧堆焊等传统修复复方法无法解决的工艺过程热应力和热变形大的难题。

本文对激光熔覆修复技术的基础性问题进行了试验研究，为激光熔覆修复技术的工程实际应用提供理论依据。

1 试验装置和原理激光熔覆修复的试验装置如图1所示。

激光器为一台3000W横流CO2激光器，激光器输出近似均匀光强分布的矩形光束，控制系统为三维数控系统，如图1（a），送粉器采用JKF-6型侧向送粉器，如图1（b），激光熔覆修复过程和原理如图1（c）和1（d）所示。

送粉器将粉末送入激光束内，粉末被加热至熔化状态，并在基体或前一熔覆层上凝固，与基体或前一熔覆层形成冶金结合。

一层熔覆完毕，激光头上升一定的高度（对应熔覆层的厚度），以保持激光熔覆中光斑尺寸大小不变，继续进行后一层的熔覆修复。

多次循环上述激光熔覆修复过程，即可修复好已磨损的金属零件。

（a）激光器和数控系统（b）送粉器（c）激光熔覆修复过程（d）激光熔覆修复原理图1 激光熔覆修复装置及原理2 激光熔覆修复试验本次激光熔覆修复试验所用基体材料为2Cr12马氏体不锈钢，激光熔覆修复的金属粉末为316L 奥氏体不锈钢粉末。

为了更接近于激光熔覆修复的实际情况，我们在基体材料上加工出一个“U”形的凹槽，激光熔覆修复就在该“U”形槽内进行。

激光熔覆修复的激光功率控制在2500W，激光熔覆的道与道之间的搭接率为50%，扫描速度为300mm/min，送粉量为2.5g/min，激光熔覆修复试验所得的试件如图2所示。

(a) 激光熔覆修复试件的横截面(b)激光熔覆修复试件的纵截面图2 激光熔覆修复试件3 试件制备激光熔覆修复完后，对激光熔覆修复试件进行线切割和其它机械加工，分别制取拉伸试件和冲击试件。

试件制取目的是测量激光熔覆修复件纵向和横向的力学性能，并与基体材料的力学性能进行对比。

试件尺寸如图3所示，其中图3（a）为片状试件，试件的长度方向与激光熔覆修复时的扫描方向平行，图3（b）为圆形试件，试件的长度方向与激光熔覆修复时的扫描方向垂直。

片状试件共制作了13件，标记为P1#~P13#，圆形试件共制作了9件，标记为Y1#~Y9#。

由于激光熔覆修复的是“U”形缺口，所以每个试件中激光熔覆修复部分的长度都不一样，从P1#~P13#或Y1#~Y9#激光熔覆修复部分的长度逐渐减少，如图3所示。

拉伸试件的外形尺寸如图4（a）和图4(b)所示,拉伸试件照片如图5（a）和图5（b）所示。

（a）片状试件（平行激光扫描方向）（b）圆形试件（垂直激光扫描方向）图3 力学试件取样方法（a）片状拉伸试样（b）圆形拉伸试样图4 激光熔覆修复性能测试试件形状（a）片状拉伸试验（b）圆形拉伸试样图5 激光熔覆修复性能测试试件照片4 拉伸试验拉伸试验在ZWICK T1-FR020 TN.A50型万能试验机上进行，图6所示为试件拉伸应力应变曲线，图6（a）为片状试件拉伸应力应变曲线，图6（b）为圆柱试件拉伸应力应变曲线。

由图6可知，基体在纵向和横向性能表现基本一致，为各向同性材料。

激光熔覆修复部位的纵向和横向强度都比基体稍底。

纵向试件除试件4延伸率在10%左右外，其余试件的延伸率都在18%-30%之间，优于基体材料。

横向试件延伸率较低，大部分在10%-16%间。

图7所示为典型试件拉伸应力应变曲线对比图，表1为拉伸性能测试数据统计。

可知，激光熔覆修复部位的横向和纵向方向的强度基本相当，部分试件横向强度优于纵向。

激光熔覆修复部位的纵向和横向在延伸率上差别较大。

沿激光扫描方向的纵向，激光熔覆修复部位有较大塑性变形能力，其塑性变形能力明显优于垂直激光扫描方向的横向和基体材料2Cr12。

垂直激光扫描方向的横向的激光熔覆修复试件，断口呈现出明显的延性断裂特征，但该方向试件延伸率明显低于纵向方向试件。

这主要是由于激光熔覆修复过程中纵横方向的差异所造成的。

激光熔覆修复过程中，激光沿纵向扫描，形成一条条连续的熔覆道，横向为相互搭接的激光熔覆道组成，相互搭接的熔覆道之间彼此虽然形成了冶金结合，但结合区冷却速度大，明显可见白色柱状晶带的形成，使得道与道之间塑性稍低。

增大激光功率，使得相互搭接的道与道之间组织牢固结合，可以提高搭接强度，使得横向塑性增大。

测试表明，沿横向方向激光熔覆修复件其塑变能力稍低于基体材料，少数试件塑变能力与基体材料相当。

(a) 片状试样(b) 圆柱试样图7 试件拉伸应力应变曲线表1 拉伸件常规性能试件σb(MPa)σ0.2(MPa)δ(%)熔覆层纵向(片状) 663.82-738.29 492.24-595.19 18.65-32.05 熔覆层横向(圆柱) 646.99-752.42 547.30-604.62 10.39-16.87 基体2Cr12 818.04-931.45 653.11-775.56 17.59-18.91 316L不锈钢（铸态）552 262 55拉伸试验中，试件的断口位置均没有在激光熔覆修复区和基体的结合部位，说明熔覆层和基体结合良好。

激光熔覆修复件纵向和横向都具有较大的拉伸强度；塑性方面由于纵向和横向熔覆层堆积方式不同，纵向塑性较好，延伸率可以达到30%左右，横向延伸率为15%左右。

由表1可见，如果用316L不锈钢粉末来修复2Cr12零件，修复后的强度可达到原零件的80%。

由表1还可以看见，激光熔覆成形的316L材料的强度超过了铸造成形的316L材料。

用Philips扫描电镜观察圆形试件断口形貌如图8所示。

由图可见，激光熔覆层纵横向断裂特征基本相同，主要是韧性断裂，如图8（b）所示，试样的断口主要是以韧窝为主，存在大量的白色撕裂棱，且这些韧窝和撕裂棱在断口上大面积地呈网状相连。

韧窝和撕裂棱是韧塑性变形的特征，它是在各单独裂纹扩展至相互连接，最后由于撕裂而形成，在撕裂棱处产生较大量的塑性变形。

这说明激光熔覆层为延塑性断裂。

图8（c）所示为基体材料断口的SEM扫描图，图8（d）为局部放大图，可知，基体2Cr12材料断口为大的麻点状形貌，局部放大图显示断口为层片状和河流状花样，呈现比较明显的脆性断裂特征。

拉伸试验显示，基体材料具有稍低的塑性变形能力。

(a) 316L熔覆层材料断口(b) 图局部放大（c）基体材料断口（d）图局部放大图8 圆形试样拉伸断面组织5 结论（1）采用激光熔覆修复技术，用316L不锈钢粉末成功地修复了2Cr12基体上的“U”形缺口。

（2）对激光熔覆修复试件的拉伸试验表明，采用316L奥氏体不锈钢粉末修复马氏体不锈钢2Cr12基体，修复后零件的强度可以达到原基体强度的80%。

（3）由于激光熔覆修复部分的组织具有定向凝固特性，激光熔覆修复零件的力学性能与激光修复时的扫描方向有一定的关系。

熔覆层沿激光扫描方向的延伸率较大(可达30%)，优于垂直激光扫描方向的延伸率(15%左右)。

（4）激光熔覆成形的316L材料的强度高于铸造的316L材料的强度。

（5）熔覆层材料试样的拉伸断口主要是以韧窝为主，存在大量的白色撕裂棱，其断裂为韧性断裂，冲击韧性较好。

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