半导体激光熔覆Ni基合金——大光斑工艺参数对堆焊层性能的影响规律

文献概况与技术背景

李正秋等人（兰州理工大学，2016年）在《应用激光》第36卷第5期发表的"半导体激光熔覆Ni基合金堆焊层组织及性能的研究"一文，采用大光斑半导体激光在Q235基体上对Ni60合金粉末进行单道堆焊，系统研究了不同激光功率（900、1100、1300、1500、1700W）对堆焊层熔深、熔宽、稀释率、显微组织及硬度、耐磨性的影响。该研究由国家火炬计划和温州市激光与光电产业集群科技专项资助，具有明确的产业应用导向。

半导体激光熔覆技术是激光熔覆技术的重要分支，其特点是采用半导体激光器作为热源，具有体积小、重量轻、成本低、电光转换效率高等优势。大光斑半导体激光熔覆技术通过扩束器将激光光斑扩大，适用于较大面积的熔覆处理，在工业应用中具有广阔的前景。

激光功率对熔覆层几何参数的影响

研究结果表明，随着激光功率的增加，堆焊层的熔深、熔宽和稀释率均增加。这一规律符合激光熔覆的基本物理原理：激光功率增大意味着单位时间内输入的热量增加，导致熔池体积增大、熔深和熔宽增加。稀释率（即基体金属在熔覆层中的质量分数）的增加是熔深增加的直接结果。

不同激光功率下的熔覆层性能对比

从表中可以看出，激光功率与熔覆层性能之间存在明显的此消彼长关系。低功率下熔覆层性能优良但熔深和熔宽较小，高功率下熔深和熔宽增大但性能下降。这一矛盾关系是激光熔覆工艺优化的核心问题。

组织演变与性能关联

枝晶组织与硬度的关系

研究揭示了激光功率通过影响枝晶尺寸来影响硬度和耐磨性的机制。低功率下，熔池体积小、冷却速率快，枝晶生长时间短，形成细小的枝晶组织。细小枝晶组织意味着更多的晶界面积，晶界对位错运动的阻碍作用更强，因此硬度更高。同时，细小枝晶组织有利于Ni60合金中硬质相（如Ni3B、Cr7C3等）的均匀分布，从而提高耐磨性。

高功率下，熔池体积大、冷却速率慢，枝晶生长时间长，形成粗大的枝晶组织。粗大枝晶组织意味着较少的晶界面积，晶界对位错运动的阻碍作用减弱，硬度降低。此外，粗大枝晶组织可能导致硬质相的偏聚，影响耐磨性的均匀性。

稀释率与性能的关系

稀释率是激光熔覆工艺中的关键控制参数。Ni60合金是一种高合金Ni基堆焊材料，其优异的耐磨性和耐蚀性依赖于高含量的Ni、Cr、B、C等合金元素。当稀释率过高时，基体金属（Q235钢）中的Fe元素大量混入熔覆层，导致Ni60合金的合金成分被稀释，硬质相的形成受到抑制，硬度和耐磨性下降。

从材料设计的角度，理想的稀释率应控制在尽可能低的水平，以确保熔覆层保留Ni60合金的合金成分和微观组织特征。然而，稀释率过低可能导致熔覆层与基体之间的结合强度不足，影响熔覆层的服役可靠性。因此，稀释率的优化需要在性能与结合强度之间取得平衡。

单层多道焊的工艺优化

研究在单道试验的基础上，选取最佳激光功率参数进行单层多道焊，获得了宏观形貌良好的堆焊平面。单层多道焊是激光熔覆工艺中实现大面积熔覆的常用方法。通过多道搭接，可以覆盖较大的面积，同时通过道次间的冶金结合形成连续的熔覆层。

单层多道焊工艺要点

1. 搭接率控制：搭接率（相邻道次之间的重叠宽度比例）影响熔覆层的平整度和结合质量。搭接率过低会导致道次间出现沟槽，搭接率过高则会导致局部过热。
2. 焊接顺序优化：焊接顺序影响熔覆层的残余应力分布和变形。合理的焊接顺序可以减小残余应力和变形，提高熔覆层的质量。
3. 道次间冷却控制：道次间的冷却时间影响熔覆层的微观组织和性能。过短的冷却时间可能导致前一道次组织的再热和软化，过长的冷却时间则可能降低生产效率。
4. 送粉均匀性：送粉均匀性直接影响熔覆层的成分均匀性和组织均匀性。送粉不均匀会导致局部稀释率波动，影响性能的一致性。

与钢管管件表面处理的结合

半导体激光熔覆Ni基合金技术在钢管和管件表面处理中具有潜在的应用价值。在石油天然气、化工和电力等行业中，钢管和管件常需要耐蚀耐磨的表面处理。Ni60合金具有优异的耐蚀性和耐磨性，通过半导体激光熔覆技术可以在钢管和管件表面形成高质量的Ni基合金熔覆层。

然而，在钢管和管件的实际应用中，需要考虑以下工程问题：

• 曲率影响：钢管和管件具有曲面特征，大光斑半导体激光在曲面上的熔覆效果与平面不同，需要针对曲率进行工艺参数调整。
• 环向搭接：钢管的环向熔覆需要解决首尾搭接问题，确保熔覆层的连续性和均匀性。
• 内表面熔覆：小口径钢管的内表面熔覆是技术难点，需要开发专门的送粉和激光导入装置。
• 批量生产：钢管和管件通常是批量生产，激光熔覆工艺需要满足生产节拍和自动化要求。

学习心得与展望

该研究系统地揭示了激光功率对半导体激光熔覆Ni基合金堆焊层性能的影响规律，为工艺参数优化提供了科学依据。研究结论表明，低功率有利于获得高硬度、高耐磨性的熔覆层，但熔深和熔宽较小；高功率有利于获得较大的熔深和熔宽，但硬度和耐磨性下降。这一矛盾关系是激光熔覆工艺优化的核心挑战。

从技术发展的角度看，大光斑半导体激光熔覆技术相比传统光纤激光熔覆技术具有成本和效率优势，但在功率密度和熔覆质量方面仍有提升空间。未来研究可考虑的方向包括：采用多光斑阵列半导体激光提高熔覆效率、开发脉冲半导体激光技术实现更精细的工艺控制、开展不同基体材料（如不锈钢管、合金钢管）的熔覆工艺研究、以及建立激光熔覆层的服役寿命预测模型。

对于从事钢管和管件表面处理的技术人员而言，理解激光功率与熔覆层性能之间的定量关系，是科学选择工艺参数和保证产品质量的基础。该研究提供的工艺参数选择方法，可以作为实际工程应用的参考起点，在此基础上根据具体的工件形状、材料特性和性能要求进行工艺优化。