第４５卷 第４期２０２１年７月
激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．４Ｊｕｌｙ，２０２１
文章编号：１００１ ３８０６（２０２１）０４ ０４４１ ０７
陈子豪１，孙文磊１
，黄 勇１，２，崔权维１
（１．新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐８３００４７；２．新疆工程学院机电工程学院，乌鲁木齐８３００２３）
电热丝绕线机
摘要：为了研究高温合金激光熔覆涂层组织演变及力学性能，采用激光熔覆技术在２Ｃｒ２５Ｎｉ２０耐热奥氏体不锈钢
表面制备镍基ＮｉＣｒＦｅＭｏ高温合金涂层。使用扫描电子显微镜、Ｘ射线衍射仪、能量散光谱仪
、显微硬度计等微观分析测试手段对该镍基高温合金涂层的微观组织形貌、物相种类、界面元素分布与偏析、各区域的硬度进行分析。结果表明，基材与熔覆层结合位置至熔覆层顶部，依次由多种晶粒形态生成；Ｎｂ与Ｍｏ元素在熔池金属液体对流作用下向基材发生扩散，其它元素基本无扩散；熔覆层存在物相有γ Ｎｉ和Ｃｒ２Ｆｅ１４Ｃ，熔覆层结合位置包含物相Ｆｅ２Ｎｉ３，γ （Ｆｅ，Ｎｉ）和Ｎｉ０．９Ｎｂ０．１；基材显微硬度平均值为２５２ＨＶ０．３左右，熔覆层显微硬度平均值为２８５ＨＶ０．３左右；经常温拉伸试验，与２Ｃｒ２５Ｎｉ２０钢力学性能比较，２Ｃｒ２５Ｎｉ２０钢修复件抗拉强度升高，强度增大，断后伸长率明显下降，塑性降低。此研究为后续钢炉转轴修复提供了可行性方案。 关键词：激光技术；激光金属沉积；组织演变；力学性能；Ｎｉ基高温合金中图分类号：ＴＮ２４９；ＴＧ１５６．９９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０ ７５１０／ｊｇｊｓ ｉｓｓｎ １００１ ３８０６ ２０２１ ０４ ００６
Ｓｔｕｄｙｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｃｏａｔｉｎｇｆｏｒｂａｓｅｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ
ＣＨＥＮＺｉｈａｏ１，ＳＵＮＷｅｎｌｅｉ１，ＨＵＡＮＧＹｏｎｇ１，２，ＣＵＩＱｕａｎｗｅｉ
１
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｎｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ８３００４７，Ｃｈｉｎａ；２．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＸｉｎｊｉａｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｕｒｕｍｃｈｉ８３００２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｃｏａｔｉｎｇｓｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌｌｏｙ，ａｎｉｃｋｅｌ ｂａｓｅｄＮｉＣｒＦｅＭｏｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆ２Ｃｒ２５Ｎｉ２０ｈｅａｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｔａｕｓｔｅｎｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｕｓｉｎｇｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒｅｐａｒｅｓａｎｉｃｋｅｌ ｂａｓｅｄＮｉＣｒＦｅＭｏｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆ２Ｃｒ２５Ｎｉ２０ｈｅａｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｔａｕｓｔｅｎｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ．Ｓｃａｎｍｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，Ｘ ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ｍｉｃｒｏ ｈａｒｄ
ｎｅｓｓｔｅｓｔｅｒａｎｄｏｔｈｅｒｍｉｃｒｏ ａｎａｌｙｓｉｓｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｐｈａｓｅｔｙｐｅｓ，ｉｎｔｅｒｆａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ，ａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｅａｃｈａｒｅａｏｆｔｈｅｎｉｃｋｅｌ ｂａｓｅｄｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｃｏａｔｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂａｓｅｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒｔｏｔｈｅｔｏｐｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒｉｓｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｌｙｇｅｎｅｒａｔｅｄｆｒｏｍａｖａｒｉｅｔｙｏｆｃｒｙｓｔａｌｇｒａｉｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ．ＴｈｅＮｂａｎｄＭｏｅｌｅｍｅｎｔｓｄｉｆｆｕｓｅｔｏｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｌｔｅｎｍｅｔａｌｌｉｑｕｉｄｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｅｌｅｍｅｎｔｓｂａｓｉｃａｌｌｙｈａｖｅｎｏｄｉｆｆｕｓｉｏｎ．Ｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒｈａｓｐｈａｓｅｓ：γ ＮｉａｎｄＣｒ２Ｆｅ１４Ｃ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒｃｏｎｔａｉｎｓｐｈａｓｅｓ：Ｆｅ２Ｎｉ３，γ （Ｆｅ，Ｎｉ），ａｎｄＮｉ０．９Ｎｂ０．１．Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｉｓａｂｏｕｔ２５２ＨＶ０．３，ａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒｉｓａｂｏｕｔ２８５ＨＶ０．３．Ｉｎｎｏｒｍａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｅｎ
ｓｉｌｅｔｅｓｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ２Ｃｒ２５Ｎｉ２０ｓｔｅｅｌ，ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ２Ｃｒ２５Ｎｉ２０ｓｔｅｅｌｒｅｐａｉｒｅｄｐａｒｔｓｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎａｆｔｅｒｆｒａｃｔｕｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，ａｎｄｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｏｖｉｄｅｓａｆｅａｓｉｂｌｅｐｌａｎｆｏｒｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｒｅｐａｉｒｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｆｕｒｎａｃｅｓｈａｆｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｌａｓｅｒｍｅｔａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ；Ｎｉｂａｓｅｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ
基金项目：新疆维吾尔自治区克拉玛依市科技重大专项资助项目（２０１８ＺＤ００２Ｂ）；新疆维吾尔自治区高校科研计划资助项目（ＸＪＥＤＵ２０１９Ｙ０６４）
作者简介：陈子豪（１９９５ ），男，硕士研究生，主要从事激光再制造的研究。
整流罩通讯联系人。Ｅ
ｍａｉｌ：ｓｕｎｗｅｎｘｊ＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０２０ ０７ ２７；收到修改稿日期：２０２０ ０８ １７
引 言
奥氏体不锈钢２Ｃｒ２５Ｎｉ２０是一种高镍铬合金的耐热钢，一般经冶炼后在铸态下直接进行使用，在高温工作环境下，该耐热钢抗高温氧化性和热腐蚀性能优良，可以在高温下反复加热使用，而不发生失效，该种耐热
钢主要用于制作炉用部件、喷嘴、燃烧室等［１ ３］
。
激 光 技 术２０２１年７月
激光熔覆［４ ８］是一种先进制造技术，激光转化为热量熔化粉末颗粒，形成涂层，然后将涂层沉积到工件表面上，使工件表面耐磨性、耐腐蚀性等性能得到明显提升，并能对废旧零件进行修复。由于在成形熔覆层过程中，能量输入在空间上是局部的、热量输入是精确控制，工件内部只形成有限的热影响区（ｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ，ＨＡＺ）。同时也减小了基材与熔覆层的稀释率，稀释率随激光能量的增加而增加，低稀释率熔覆层具有良好的微观结构和力学性能。激光熔覆工艺参量
［９ １２］合理设置能提升熔覆成形能力，产生更少缺陷。温度梯度［１３］对于熔覆层的成形过程也有重要影响。
本文中所用粉末与Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５粉末元素种类相同，Ｍｏ，Ｎｂ元素含量不同，其它元素含量范围相同，故类比Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５相关性质来研究该高温合金涂层。Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５［１４ １８］是一种镍基高温合金，其主要借助镍铬基体中Ｍｏ，Ｎｂ等元素的固溶强化来获得高温强度、抗蠕变性能，并且还一种激光吸收率较大的沉积材料，同时也是一种ＮｉＣｒＦｅ多元合金。ＷＮＡＧ等人［１９］利用激光熔覆技术在３１６Ｌ不锈钢表面制备了单层和多层Ｉｎ ｃｏｎｅｌ６２５高温合金涂层，比较了样品中不同区域的宏观形态，微观结构。讨论了界面的晶粒形态转变和显微组织形成机理并对机械性能和腐蚀性能也进行了详细研究。ＤＩＮＤＡ等人［２０］利用激光沉积技术制造出Ｉｎ ｃｏｎｅｌ６２５镍基高温合金成形件，使用高功率ＣＯ
２
激光 器在Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５基板上形成熔池，将Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５粉末流输送到熔池中形成３维物体，微观结构为柱状枝晶，由基底向上生长。ＲＯＭＢＯＵＴＳ等人［２１］研究了利用激光金属沉积技术（ｌａｓｅｒｍｅｔａｌｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＬＭＤ）制备３维镍铬铁合金Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５块状成形件，通过Ｘ射线衍射检测到含有ＭＣ，Ｍ
２３
Ｃ
６
和Ｍ
６
Ｃ型碳化物的致密胞状树枝状结构。拉伸屈服强度为４８０ＭＰａ～６５６ＭＰａ，极限强度为８８２ＭＰａ～１０００ＭＰａ，断后延伸率为２４％～３６％，与常规生产的Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５合金相比，其强度和塑性都有了很大的提升。
本文中在２Ｃｒ２５Ｎｉ２０耐热奥氏体不锈钢基体上进行最佳激光熔覆工艺参量的多层多道熔覆ＮｉＣｒＦｅＭｏ高温合金粉末试验，分析了２Ｃｒ２５Ｎｉ２０钢基体和熔覆层材料的显微组织，显微硬度及常温力学性能，为实现钢炉转动轴表面修复奠定了一定的应用基础。
１ 试验材料与方法
１．１ 试验材料
试验中所用基材为３００ｍｍ×１５０ｍｍ×１２ｍｍ２Ｃｒ２５Ｎｉ２０钢板，基体常温平衡组织为奥氏体，而所用的激光熔覆合金粉末为ＮｉＣｒＦｅＭｏ高温合金粉末，其粒度为：１００目～３００目，粉末流动性：１０ｇ／ｓ～１００ｇ／ｓ，硬度：２５ＨＲＣ～３０ＨＲＣ，使用温度：１０００℃。试验前，粉末在烘干机内静置烘干，烘干时间为２ｈ，温度为１５０℃。基材与高温合金粉末成分如表１所示。
Ｔａｂｌｅ１ ＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｓｕｂｓｔｒａｔｅａｎｄＮｉ ｂａｓｅｄｓｕｐｅｒａｌｌｏｙａｌｌｏｙｐｏｗｄｅｒ（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ）
ｅｌｅｍｅｎｔＣＳｉＣｒＮｂ＋ＴａＭｎＳＰＭｏＦｅＮｉ
２Ｃｒ２５Ｎｉ２０ｐｏｗｄｅｒ≤０．００２５≤０．０１５０≤０．２４００—≤０．０２００≤０．０００３０≤０．０００３５—ｂａｌａｎｃｅ≤０．１９００～０．２２００
０．０００３～０．０００５０．００６～０．０１５０．２０～０．２３０．０４～０．０６———０．０８～０．１０～０．０５ｂａｌａｎｃｅ
１．２ 试验方法
试验在激光快速成型系统上进行，该试验系统由德国ＩＰＧ公司ＹＬＳ ４０００ Ｓ２光纤激光器，
中国ＫＵＫＡ公司ＫＲ３０ＨＡ机器人，中国新松公司１０００ｍｍ伺服旋转工作台，中国新松公司ＸＳＬ ＰＦ ０１Ａ ２负压式气载送粉器及中国东露阳实业有限公司ＰＨ ＬＷ２９６ ＴＨ２Ｐ冷却系统组成，如图１所示。激光波长：１０７０ｎｍ～１０８０ｎｍ；激光聚焦头（ＰＬＦＤＨ０１２５）使用抛物聚焦镜，焦距ｆ＝６００ｍｍ，焦点光斑直径３ｍｍ。配置侧向送粉喷嘴及调整机构，载气与保护气为氩气。在熔覆过程中，氩气不仅被用作保护熔覆层被空气氧化，还被用作保护激光加工头内的光学元件免受烟尘氧化。
该系统送粉方式为气压驱动侧向同步送粉，为了提高基材对激光的吸收率，成形性能优良的熔覆层，前
Ｆｉｇ １ Ｌａｓｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ（１—ｆｉｂｅｒｌａｓｅｒＹＬＳ ４０００ Ｓ２；２—ＫＲ３０ＨＡｒｏｂｏｔ；３—ｓｅｒｖｏｒｏｔａｔｉｎｇｗｏｒｋｔａｂｌｅ；４—ＸＳＬ ＰＦ
０１Ａ ２ｎｅｇａｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｔｙｐｅｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；５—
ＰＬＦＤＨ０１２５ｌａｓｅｒｈｅａｄ；６—ｌａｔｅｒａｌｐｏｗｄｅｒ ｆｅｅｄｎｏｚｚｌｅ；７—ｃｏｏｌｉｎｇ
ｓｙｓｔｅｍ）
２４４
第４５卷 第４期陈子豪 镍基高温合金激光熔覆涂层组织及性能研究
期通过正交试验选出最佳工艺参量，具体试验工艺参量设定为：激光功率１．６ｋＷ，扫描速率８ｍｍ／ｓ，送粉量１５ｇ／ｍｉｎ，光斑直径３ｍｍ，送粉载气流量１５０Ｌ／ｈ。
为了评估ＮｉＣｒＦｅＭｏ高温合金涂层与基材２Ｃｒ２５Ｎｉ２０钢板间的结合强度与常温力学性能，设计常温拉伸试验，将板件垂直于长边开Ｖ型坡口，坡口尺寸如图２
所示。
Ｆｉｇ ２ ２Ｃｒ２５Ｎｉ２０ｐｌａｔｅｇｒｏｏｖｅｄｉａｇｒａｍ
采用上述激光试验系统在２Ｃｒ２５Ｎｉ２０钢板上进行Ｎｉ基高温合金粉末激光熔覆成形试验，研究在上述工艺参量下，粉末在激光作用下熔化，形成致密Ｎｉ基高温熔覆层，冷却至室温，经过多层堆积，将上述钢板上的通槽填充完整，并使用磨光机磨削熔覆层多余部分，用不同目数的砂纸先后打磨该部分，然后使用酒精擦拭熔覆层及其周围表面，静置晾干。
处理完成后，利用电火花线切割机沿熔覆板件对处理后板件熔覆区域中心横截面方向进行线切割，并对切割后样品进行标准金相制样。清理表面铁屑，用砂纸将试样棱角打磨平滑。然后进行抛光、腐蚀，采用Ｋａｌｌｉｎｇ试剂（Ｃ２Ｈ５ＯＨ１００ｍＬ，ＨＣｌ１００ｍＬ，ＣｕＣｌ２５ｇ）腐蚀熔覆层与基材，使用ＺｅｉｓｓＳｇｍａ５００扫描电子显微镜（ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ）对基材区、热影响区、基材区与熔覆层结合处以及熔覆层截面显微组织晶粒形态进行观察。
利用理学Ｄ／ｍａｘ２５００Ｘ射线衍射仪（Ｘ ｒａｙｄｉｆ ｆｒａｃｔｉｏｎ，ＸＲＤ）分别测试熔覆层、基材与熔覆层结合处中的物相，然后利用牛津２００Ｘ射线能量散光谱仪（ｅｎｅｒｇｙｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＥＤＳ）测试熔覆层和垂直界面方向各层各元素的分布。
采用ＨＶＳ １０００Ｚ型维氏显微硬度计沿基材区 热影响区 熔覆层直线方向测量各层区显微硬度值，测量距离为相邻两点间距２００μｍ，载荷为３００ｇ（２．９４２Ｎ），加载时间为１
５ｓ。将熔覆完成的试样依据ＧＢ／Ｔ２２８．１ ２０１０金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法标准进行试验，先用线切割在处理好的板件上切制出标准力学拉伸试
样，然后使用不同目数的砂纸对力学试样进行打磨抛光，最终通过ＣＭＴ５２０５常温力学试验机测试修复试样力学性能。
２ 镍基高温合金熔覆层性能分析
２．１ 镍基高温合金熔覆层表面形貌分析
图３ａ所示为沉积层区域、两异种金属结合位置、基材区域ＳＥＭ形貌，图３ｂ为熔覆层上半部分，图３ｃ为熔覆层下半部分。在高温合金沉积的过程中，熔覆层是由粉末熔化、凝固堆积而成，该过程相当于激光重熔与合金化的综合应用，成形质量主要取决于首层熔覆层，基材处于室温，熔融液体在基材上快速凝固形成熔覆层。在该层成形过程中，一部分热量用于熔化基材与粉末，多余热量通过基材传入垫板和空气中，故在
首层熔覆层成形过程中工艺参量的选取显得尤为重要。因此，基材下的垫块应采用导热系数小的材料，保证一部分热量存在于试样内，保证较小温度梯度，产生较小的残余应力，
产生更少的缺陷。
Ｆｉｇ ３ ａ—ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ，ｊｏｉｎｔａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂ—ｔｈｅｕｐ
ｐｅｒｐａｒｔｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ ｃ—ｌｏｗｅｒｐａｒｔｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ
新成形熔覆层在激光的辐照下，由于高温作用，熔覆层表面熔化形成熔池，随着粉末熔化后形成的液体不断注入层中，已完成凝固成形区域重新熔化与连续粉末熔化的熔融液体混合并形成新的熔覆层凝固成形。在连续激光的作用下，先成形熔覆层对后续熔覆层存在循环退火、回火热处理，让成形件表面平整光滑，内部呈现出交错热处理组织特征。
新成形的熔覆层容易受到热循环二次加热影响。但是，在图中沉积层分层现象不明显，说明各熔覆层之间基本无缺陷产生，热循环作用影响不明显，沉积层中
３４４
激 光 技 术２０２１年７月
各单层紧密结合，成形质量良好。已经完成凝固成形的高温合金熔覆层相当于基板，先成形的熔覆层表面温度高，内部存在大量热量，对于后续产生的熔覆层相当于退火与回火热处理作用，产生的组织
均匀，缺陷少。
最后成形的熔覆层主要与空气介质进行热交换，组织凝固速率较先成形熔覆层相比较大，温度梯度较小。图中熔覆层之间结合处有波浪纹产生，由于在形成熔池过程中，粉末熔融液体表面张力与基材表面弹力相互作用。
２．２ 镍基高温合金熔覆层微观组织与演变
图４ａ所示为熔覆层ＳＥＭ显微组织形貌，其表面无裂纹、光顺平滑。通过不同放大倍数的扫描电子显微镜图像显示镍基高温合金熔覆层微结构区域。如图４ｂ～图４ｆ所示，在结合处上方，柱状晶按一定角度贯穿过整个熔覆层，柱状晶周围分布着网状二次枝晶。通过ＳＥＭ对网状二次枝晶区域进行放大处理，在晶间
位置有存在少量白颗粒。
Ｆｉｇ ４ ａ—ｏｖｅｒａｌｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ ｂ—ｔｈｅｄｉｓ
ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｎｅｔｗｏｒｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ ｃ—ｅｎｌａｒｇｅｄｌｏｃａｌｖｉｅｗｏｆｒｅｔｉｃｕｌａｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｄ—ｅｑｕｉａｘｅｄｃｒｙｓｔａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｕｐｐｅｒｌａｙｅｒｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ ｅ—ｃｏｌｕｍｎａｒｃｒｙｓｔａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ ｆ—ｔｈｅｃｅｌｌｕｌａｒｃｒｙｓｔａｌｄｉｓｔｒｉ ｂｕｔｉｏｎａｔｔｈｅｌｏｗｅｒｅｎｄｏｆｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ
该激光熔覆沉积层由４层组成，经过连续激光的辐照，基材表面熔化，熔融粉末液体与熔池接触混合开始凝固，柱状晶从临近结合位置开始生长，其生长方向与激光扫描方向有关，随着激光头的移动，材料表面熔化形成熔池，在熔池中，晶粒在过冷度较大处开始形核长大，随着热量变化的方向逐渐生长，其生长方与水平呈一定角度，晶粒生长方向与熔覆层内部热量传输方向相反。多道熔覆层堆积，成形沉积层，先成形熔覆层在激光的热作用下，该层经历激光重熔处理，重新熔化再凝固，熔覆层中本身就存有大量热量，再经过新热量的连续输入，使晶粒发生再结晶，生成如图中网状树枝
晶。且热量变化不仅存在于垂直方向，也存在于水平方向。在水平方向，柱状晶与二次网状枝晶交错分布，且柱状晶在垂直方向，根据温度梯度与凝固速率的分布的情况，二次网状枝晶、柱状晶、树枝晶和等轴晶交错分布，因为在制备熔覆层时，激光头往复运动，同一区域热量分布不均匀，温度梯度
也是不断变化，先成形熔覆层经过与空气热对流，温度梯度降低，凝固速率升高，有利于等轴晶的形成。故柱状晶与二次网状枝晶在温度的变化下，转化为等轴晶。在经过激光的热效应，该层重新熔化，晶粒重新经历形核、长大的过程。后成形的熔覆层重复经过该过程，直到最后一层熔覆层的成形，试样最上层位置与空气充分接触，与空气进行热交换，形成较宽的等轴晶区域，在试样下端与中间部分几乎观察不到该区域。
不同放大倍数Ｓ
ＥＭ下熔覆层波浪纹微观形貌如图５ａ～图５ｄ所示。先成形部分在激光的辐照下，表面熔化，离表面距离越近，温度就越高。温度的变化会直接导致熔融液体表面张力的大小。连续粉末熔化后不断注入熔池中，在此过程中，粉末熔融液体表面张力不断增大，先成形层熔化部分与未完全熔化粉末间有弹力产生，两种力相互叠加作用，
最终形成波浪纹。金膜
Ｆｉｇ ５ ａ—ｍｉｃｒｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｅｎｄｏｆｔｈｅｗａｖｅｐａｔｔｅｒｎｏｆｔｈｅ
ｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ ｂ—ｄｅｎｄｒｉｔｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｒｏｕｎｄｗａ捕蝇器
ｖｅｐａｔｔｅｒｎ ｃ—ｍｉｃｒｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｗａｖｅｐａｔｔｅｒｎ ｄ—ｗａｖｙｉｎｔｅｒｉｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
波纹两侧组织形貌也不尽相同，以波纹为中界限，波纹以上主要分布着柱状晶组织，其生长方向与水平位置呈一定角度。波纹以下主要分布着柱状晶和二次网状枝晶，两种晶粒在形核长大的过程中，由于热对流与热传导的作用，柱状晶区域与二次网状枝晶区域间界线明显，两种晶粒形貌相差较大。熔覆层中存在波纹形貌，柱状晶镜面生长，晶粒在生长过程中，同一侧按相同方向外延生长，与另外一侧生长方向相反，其生长过程类似于镜中成像原理。
４４４
第４５卷 第４期陈子豪 镍基高温合金激光熔覆涂层组织及性能研究
图６所示为不同放大倍数ＳＥＭ下高温合金熔覆层与基材２
Ｃｒ２５Ｎｉ２０结合位置。如图６ａ～图６ｄ所示，在结合位置观察到层状微观组织结构和不同尺寸晶粒的存在。基材和粉末被熔化之后，粉末与熔化的基材形成液相，组织间的元素相互扩散，随着凝固速率增大，温度梯度降低，形成成分过冷区，故在结合位置临近熔覆层处，该处产生胞状晶，晶粒较小，分布均匀，临近基材位置处，其大小不一，分布不均匀，因为热量在该位置反复输入、输出，组织经过回火热处理导致较大尺寸的枝晶生成。故在该位置易产生缺陷，在后续研
究中应该控制热量的输入。
Ｆｉｇ ６ ａ—ｂｏｎｄｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂ—ｍｉｄｄｌｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎｏｆｊｏｉｎｔ ｃ—ｒｅｔｉｃｕｌａｔｅｄｄｅｎｄｒｉｔｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｄ—ｄｅｎｄｒｉｔｅｇｒｏｗｔｈｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｔｔｈｅｕｐｐｅｒｅｎｄｏｆｔｈｅｊｕｎｃｔｉｏｎ
在首层熔覆层成形过程中，基材处于室温状态下，激光提供大量热量将基材加热，甚至将其表面熔化，熔深主要与功率、扫描速度有关，由于激光作用下所形成的熔池与冷基体之间的温度梯度较大，熔池的冷却速率相对较大，大量热量通过基材传入空气中，基材为金属件，易导热，传热速度快，因此在基体附近一定不会产生二次枝晶。但是，随着结合区上端位置温度梯度降低，凝固速率升高，上端位置晶粒在该动态变化的情况下，生长为典型的胞状枝晶结构和次生枝晶。２．３ 镍基高温合金熔覆层物相与耐高温性能分析
通过Ｄ／ｍａｘ２５００ＸＲＤ分析了熔覆层、熔覆层与基材结合处之间物相的种类，牛津２００ＥＤＳ主要分析关键元素通过渡区向首层熔覆层向上层扩散效应和分布规律。如图７所示，熔覆层与结合处所含物相种类不同。熔覆层所含物相包含：γ Ｎｉ（面心立方结构）、Ｃｒ２Ｆｅ１４Ｃ（金属间化合物），在熔覆层结合位置包含物相：Ｆｅ２Ｎｉ３，γ （Ｆｅ，Ｎｉ），Ｎｉ０．９Ｎｂ０．１。熔覆层主要耐热强化相主要是γ
Ｎｉ相，熔覆层中大量的Ｃｒ元素均匀分
Ｆｉｇ ７ ＸＲＤｐｈａｓｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｊｕｎｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒａｎｄ
ｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅａｎｄｔｈｅｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ
布于γ Ｎｉ固溶体中，对γ Ｎｉ相固溶强化起促进作用，
并且让熔覆层在高温下获得较高强度。由于熔覆层内Ｎｂ元素含量较少，并且该沉淀固溶相非常细小，由于熔覆层温度变化快速，该沉淀物并没有经过粗化过程，故ＸＲＤ扫描检测时没有观察Ｎｉ３Ｎｂ强化相。Ｎｉ基合金凝固过程中，在熔覆层与基材结合位置处，各晶界处容易形成ｌａｖｅｓ相，该相为一种脆硬相，该相存在位置容易形成裂纹，在ＳＥＭ图片中观察到在熔覆层表面有白细小颗粒存在，并在该位置处该相出现。
通过对熔覆层横截面进行ＥＤＳ线扫描，得到熔覆层中含有元素Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｃ，Ｎｂ。在图８ａ中６００μｍ处熔覆层与基材结合位置，Ｎｉ元素相对强度瞬时性升高，Ｆｅ元素相对强度明显减弱，在图中上述位置处，Ｎｂ与Ｍｏ元素相对强度也突然升高，基材中Ｎｂ元素相对强度不为零，从表１中可知，基材中并不含有
新型玉米膨化机Ｆｉｇ ８ ａ—ＥＤＳｌｉｎｅｓｃａｎｏｆｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｆｒｏｍｓｕｂｔｒａｔｅｔｏｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ
ｂ—ＥＤＳｌｉｎｅｓｃａｎｏｆｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒ
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